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Educación Tecnológica 1

Sistemas de controlIntroducciónEl hombre ha utilizado herramientas para satisfacer sus necesidades. Por ejemplo, descubrió, quizá por casualidad, cómo obtener fuego para proporcionarse calor y cocinar sus alimentos. Lo hizo frotando enérgicamente dos trozos de cierta piedra.La piedra era su herramienta. Hoy en día, se dispone de pequeños y económicos encendedores que permiten disponer inmediatamente de fuego. Si se los observa con atención, se verá que tienen una pequeña piedra, que

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cuando es rozada por una pequeña ruedita metálica que hacemos girar, desprende chispas que encienden el gas.Precisamente, el material con que está hecha esa pequeña piedra es, en esencia, el mismo que utilizaban nuestros antepasados de las cavernas. En la actualidad lo encontramos, junto con un tanque de gas, una válvula que regula su salida, una entrada de oxígeno y hasta otra válvula de recarga formando parte de un sistema: el encendedor. Cada componente, por sí mismo, no puede proporcionar fuego, pero sí puede hacerlo el conjunto.

Características y tipos de sistemas de controlUn encendedor, una bicicleta y un automóvil son sistemas que funcionan sólo si cuentan con todos sus componentes y éstos desarrollan sus funciones en forma simultánea.Un sistema es un conjunto de elementos o dispositivos que interactúan para cumplir una función determinada. Se comportan en conjunto como una unidad y no como un montón de piezas sueltas.El comportamiento de un sistema cambia apreciablemente cuando se modifica o reemplaza uno de sus componentes; también, si uno o varios de esos componentes no cumplen la función para la cual fueron diseñados. Entonces, resulta necesario controlar cada elemento en forma independiente, o bien, el resultado final de todo el sistema.Se puede controlar la batería de un auto, la presión de los neumáticos, la presión de aceite…… batería, neumáticos y aceite son algunos de los componentes de un automóvil. Pero, además, es posible controlar la velocidad del auto, que es el resultado del funcionamiento del motor en su conjunto.Consideremos, por ejemplo:Una cocina como “sistema integral hogareño de cocción de alimentos”.

¿Cómo hacemos para supervisar la temperatura del horno para cocinar una torta?Primero, encendemos el horno, y luego, giramos la perilla que lo identifica. Con este accionar, se modifica la apertura de la válvula que regula la cantidad de gas que llega al quemador del horno, y de esta manera su temperatura final.Esta operación permitirá accionar en forma manual el sistema de control de la temperatura del horno. Lo haremos teniendo en cuenta nuestra experiencia anterior o las indicaciones de la receta que leímos en un libro, para que el resultado sea el esperado. Hemos controlado el proceso.Ahora bien, a medida que el hombre y las técnicas por él desarrolladas evolucionaron, las máquinas dejaron de ser herramientas que realizaban una sola operación para ejecutar varias de manera consecutiva

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y simultánea. Entonces, los procesos resultaron más complejos, más costosos y de mayor duración. Por lo tanto, no fue posible controlar el sistema manualmente, sino que se hizo necesario el empleo de diversos mecanismos.

Por ejemplo:Consideremos una pequeña planta embotelladora de gaseosas. Hace algunos años, para que una máquina colocara la tapa a rosca, una empleada debía sostener la botella ya llena de líquido en forma manual. Hoy en día, una máquina llena la botella vacía, le coloca la tapa y hasta le pega la etiqueta en pocos segundos. Y, aun más, todo esto lo hace simultáneamente con varios envases. Es decir que, con el tiempo, no se hacen más operaciones individuales, y se pasa a realizar procesos o conjuntos de operaciones vinculadas entre sí.

¿Qué hace que nuestra máquina embotelladora funcione adecuadamente, tome sólo una botella por vez, no pegue tres etiquetas en cada envase, o deje de funcionar si el líquido que envasa se ha terminado?

Pues de esto se ocupa el control automático de procesos.La aplicación de sistemas de control a los artefactos electrodomésticos ha mejorado la vida de las personas. Por ejemplo, antes se usaban las planchas que funcionaban con carbón. Más tarde, las abuelas utilizaron pesadas planchas eléctricas, que tardaban mucho tiempo en calentar, y cuya temperatura resultaba muy difícil de regular. Hoy en día, las planchas son livianas y cómodas, regulan la temperatura según el tipo de tela, rocían la ropa con vapor, etcétera. Pero los cambios tecnológicos incidieron sobre todo en la actividad industrial. Infinidad de tareas, realizadas hasta hace poco de manera manual, hoy se efectúan mecánicamente. Más aún, los controles automáticos se han generalizado por completo en el mundo de la industria. En consecuencia, las industrias requieren menos

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operarios “manuales” y más personal especializado, por ejemplo, técnicos electricistas, electrónicos e informáticos, capaces de montar, controlar, corregir y reparar los sistemas implementados. La capacitación técnica resulta, entonces, imprescindible para poder acceder a estos nuevos puestos de trabajo.

Tipos de controlEl control de un sistema se efectúa mediante un conjunto de componentes mecánicos, hidráulicos, eléctricos y/o electrónicos que, interconectados, recogen información acerca del funcionamiento, comparan este funcionamiento con datos previos y, si es necesario, modifican el proceso para alcanzar el resultado deseado. Este conjunto de elementos constituye, por lo tanto, un sistema en sí mismo y se denomina sistema de control. Para estudiarlo, es necesario suponer que sus componentes forman conjuntos, que reciben una orden o entrada y producen una respuesta o salida. Estos conjuntos se representan gráficamente en forma de rectángulos o bloques vinculados por flechas, las cuales muestran las conexiones que existen entre aquéllos y los efectos que producen. La forma más simple para esquematizar un proceso de control es un bloque sobre el que incide una entrada y se genera una salida. Por ejemplo, para la regulación de la temperatura de un horno.

Sistemas de control manuales y automáticosLos sistemas de control pueden ser manuales o automáticos.

Sistema ManualPara obtener una respuesta del sistema, interviene el hombre sobre el elemento de control.

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La acción del hombre es, entonces, la que actúa siempre sobre el sistema (cierra o abre, acciona un interruptor, aprieta el freno...), para producir cambios en el funcionamiento.Encontramos sistemas de control manuales, por ejemplo, en:

El frenado de un auto. El encendido y el apagado de las luces en una habitación. La operación de la hornalla de gas de una cocina. El control del agua de una canilla.

Sistema AutomáticoEl sistema da respuesta sin que nadie intervenga de manera directa sobre él, excepto en la introducción de condiciones iniciales o de consigna.El sistema “opera por sí solo”, efectuando los cambios necesarios durante su funcionamiento. Así, se reemplaza el operador humano por dispositivos tecnológicos que operan sobre el sistema (relés, válvulas motorizadas, actuadores, interruptores, motores, etc.).Encontramos sistemas automáticos de control en, por ejemplo:

Heladeras. Termotanques. Alumbrado público. Piloto automático de un avión. Equipos de aire acondicionado.

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ACTIVIDADSelecciona la respuesta correcta a cada

Imagen

Manual

Automático

Manual

Automático

Manual

Automático

Manual

Automático

Manual

Automático

Manual

Automático

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Manual

Automático

Manual

Automático

ACTIVIDADA continuación, encontrarás una tabla que contiene varios ejemplos de sistemas de control. Tendrás que indicar si ese sistema de control es manual o automático, si el sistema ha tenido cambios desde su creación hasta hoy en día -si (x) no (x) -y cuál creés que es su utilidad y/o influencia en el medio ambiente.

Sistemas de control

Tipo de sistema: Manual o Automático

Ha cambiado? Utilidad y/o influencia en el medio ambienteSi No

Aerosol Automóviles

HornoPlancha

Computadoras

Lazos de controlYa consideramos una de las particularidades que presentan los sistemas de control, la que nos permitió diferenciarlos entre manuales y automáticos.Los sistemas de control, además, pueden ser caracterizados por lo que se denomina lazos de control.Por Ejemplo:

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Supongamos que necesitamos hervir el agua fría de una cacerola, en una cocina a gas. La primera posibilidad es que encendamos la hornalla de la cocina, regulemos la llama

del fuego, coloquemos la cacerola sobre la hornalla y nos retiremos a realizar otras actividades. ¿Qué ocurre, entonces? El agua comienza a calentarse, aumentando su temperatura, hasta que comienza a hervir; cuando llega a la temperatura de ebullición y la llama de la hornalla sigue encendida y el agua, tal vez, se desborde de la cacerola, con el riesgo de que se pueda apagar la llama de la hornalla y continuar saliendo gas.

La segunda posibilidad es que encendamos la hornalla de gas, regulemos la llama del fuego, coloquemos la cacerola sobre la hornalla y permanezcamos frente a la cocina observando el agua de la cacerola. ¿Qué ocurre, en esta situación? El agua comienza a calentarse, aumentando su temperatura, hasta que comienza a hervir; cuando llega a este punto, actuamos sobre la llave de la hornalla disminuyendo, poco a poco, la llama del gas, hasta que –llegado el punto de ebullición del agua– cerramos totalmente el paso de gas, apagándose así, la llama de la hornalla.

Podemos detectar que, en la primera situación, el hecho de que el agua esté hirviendo (salida del sistema) no tiene ninguna acción sobre la llama de la hornalla (entrada del sistema).En cambio, en la segunda posibilidad observamos que, al iniciarse el proceso de ebullición (salida del sistema), la persona presente comienza a actuar sobre la llave de gas de la hornalla, disminuyendo la llama (entrada del sistema) hasta apagarla.En el primer caso, estamos ante un sistema de control de lazo abierto; en la segundo, ante un sistema de control de lazo cerrado.Mas ejemplos…Una estufa. Supongan que el usuario siente que el ambiente está frío. Seguidamente abre la llave y la enciende. Después de un tiempo, la temperatura sube y cambia la temperatura del ambiente que inicialmente estaba frío; si la temperatura llega a ser excesiva, el usuario volverá a operar sobre el control para bajar la temperatura.

Un encendedor.Un simple elemento como el encendedor trabaja como sistema, ya que está constituido básicamente por una rueda estriada, una piedra, un envase que contiene el gas licuado, una válvula para regular la salida del mismo; ninguna de estas partes puede por sí sola conseguir el objetivo: producir fuego; pero si todas ellas funcionan adecuadamente en conjunto, es un sistema de lazo abierto.

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El Semáforo.Un ejemplo de sistema de lazo abierto es el semáforo. La señal de entrada es el tiempo asignado a cada luz (rojo, amarilla y verde) de cada una de las calles. El sistema cambia las luces según el tiempo indicado, sin importar que la cantidad de tránsito varíe en las calles.

En los casos de lazo cerrado, hay un retorno de información desde el ambiente, medido por la persona, y una modificación del estado del ambiente por parte del mismo sistema que la persona controla. Es lo que se llama, una realimentación. El sistema interviene en el medio y el medio modifica al sistema a través de la persona que controla, en una ida y vuelta. Por eso lo llamamos sistema de lazo cerrado (si consideramos a la persona o usuario como parte del sistema, aunque sea momentáneamente).

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Pero, el lugar de una persona, puede ser suplantado por un dispositivo controlador automático, formado, por un sensor, un procesador y un actuador de control, que actuará sobre el dispositivo de control del sistema, como por ejemplo una válvula de paso de gas. En consecuencia, el conjunto del sistema, ya sin la presencia de una persona que lo controla, será de lazo cerrado, es decir, realimentado, autorregulado.Imaginen un sistema de refrigeración (una heladera): un sistema en donde uno ingresa algún producto y la heladera regula (por si sola) la temperatura; si ingresás algo caliente en la heladera, ésta tendrá que producir más frio hasta conseguir la temperatura a la cual se desea tener el producto.

Utilizando como herramienta gráfica un diagrama de flujo, podemos representar un modelo que dé cuenta de los distintos casos posibles de sistemas en los que hay algún tipo de sensor, ya sean en modo de lazo cerrado (autorregulado), o de lazo abierto.

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En base al diagrama, si tomamos como ejemplos un sistema de aire acondicionado, una plancha o una heladera, corresponden todos ellos al caso 3, porque, en estos casos, el sensor de temperatura mide el efecto producido por el mismo sistema, activándolo o desactivándolo automáticamente, para mantener una temperatura constante. Y puede ser temperatura o cualquier otra variable física.

Cuándo el sensor sí actúa en el sistema, pero no registra un efecto del mismo, sino externo, (caso 2), estamos ante el ejemplo de una lámpara que es accionada por una célula fotoeléctrica, que activa la luz cuando oscurece. También es el caso de las que son activadas por un sensor de movimiento. O cualquier actuador, eléctrico, mecánico, fluídico, etc., que se activa por cualquier tipo de evento externo al sistema.

Finalmente, en el caso 1, estamos en presencia de cualquier sistema que es controlado por algo o por alguien, pero que no tiene sensores. En este caso la función de sensor y la actuación de control sobre el sistema son ejercidas por una persona que lo controla.

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ACTIVIDADSeleccioná el tipo de sistema que corresponde a cada definición. Recordá que:

Lazo cerrado es cuando es un sistema de control por realimentación.

Lazo abierto es cuando la salida se genera dependiendo de la entrada. O sea, no hay una regulación de variables sino que se realizan una serie de operaciones de una manera determinada.

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SENSORESLos sensores son como los “sentidos” de las personas: a través de ellos podemos “percibir” si la casa esta fría o caliente, si hay alguien en una habitación, si hay humo en el lugar, si se ha roto un cristal... y actuar en consecuencia.Los sensores son los elementos que utiliza el sistema para conocer el estado de ciertos parámetros (la temperatura ambiente, la existencia de un escape de agua, etc.). Entre los más comúnmente utilizados se distinguen los siguientes:

Termostato de ambiente, destinado a medir la temperatura del ambiente y permitir la modificación la temperatura por parte del usuario

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Sensores de proximidad, son dispositivos sensibles a la cantidad de luz que incide sobre ellos, o sea que reaccionan ante la presencia de una persona u objeto.

Sensor de humo, que detecta la presencia de humo en el aire y emite una señal avisando un posible peligro de incendio.

Sensores de interrupción, que son verdaderos pulsadores que se accionan cuando un elemento móvil alcanza determinado punto de su recorrido que no puede sobrepasar. Por ejemplo, todos los ascensores tienen de estos sensores en los pisos más altos y en los más bajos, para conectar o bloquear los sistemas de seguridad que correspondan.

Sensores de luz, que permiten conectar algún artefacto cuando el sistema automático detecta a través de estos sensores que falta luz o luminosidad.

Sensor laser visible para detección de presencia y determinación de las dimensiones y de la velocidad de los vehículos en circulación.

Los sensores pueden estar conectados a una computadora para obtener ventajas como son el acceso a una base de datos, la toma de valores desde el sensor, o el acceso remoto para activar algún elemento, etc.

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ACTUADORESLos actuadores son elementos que toman información del proceso que deben controlar, y la transforman en acciones sobre ese proceso.

Por ejemplo, un motor que mueve una rueda, un LED que indica que un aparato está encendido, un altavoz que emite un sonido de alerta, etc.

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ACTIVIDADSeñalar cuáles serían los sensores y los actuadores en los siguientes sistemas de control

1. Un sistema de riego automático.

2. Un sistema de encendido automático de luces al anochecer.

3. Un sistema de bajar toldos protectores al salir el sol.

4. Un sistema de calefacción.

5. Un sistema de refrigeración.

6. Un sistema automático de bombeo de agua de un pozo a un depósito acumulador.

7. Una central de alarma antiincendios de unos almacenes.

8. Una central de alarma antirrobo de un banco.

9. Un sistema automático de control del tráfico de una ciudad.

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ACTIVIDAD

¿Qué es un robot? Conociendo los sensores y actuadores“Un robot es una máquina automática programable que es capaz de interpretar información del medio físico para modificar su conducta. Tiene la capacidad de interactuar con el entorno y, en función de ello, realizar unas funciones u otras.”

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Si comparamos un robot con una persona, los sensores serían sus sentidos. Éstos transmiten información a su sistema de control o cerebro, modificando su comportamiento e influyendo sobre el mundo mediante sus actuadores. Además, un robot necesitará una fuente de energía para funcionar y una estructura física para sostener los elementos que lo componen.Todo robot tiene tres tipos de componentes:

Sistema de control : como una placa controladora.

Sensores : capaces de interpretar información del mundo o del propio robot.

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Actuadores : producen un efecto sobre el mundo o sobre el propio robot. Los elementos actuadores son los dispositivos que ejercen fuerzas y movimientos sobre las partes de un robot haciendo que éstas se muevan. Transforman en energía mecánica algún otro tipo de energía y, para que sean útiles en Robótica, deben poder ser controlados con rapidez y precisión.

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