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Control Automático Educación

Lazo Abierto y Lazo Cerrado

Hola controleros y controleras bienvenidos nuevamente a nuestro curso de control realimentado, donde vamos a aprender de forma CLARA lo que es un Sistema de Control de LAZO ABIERTO y LAZO CERRADO.

Antes de comenzar, puedes darle un vistazo a nuestro curso de CONTROL REALIMENTADO para que aprendas nuevos conceptos.

Lazo Abierto y Lazo Cerrado

El concepto de lazo abierto y lazo cerrado (open loop and closed loop) lo encontrarás constantemente en toda disciplina de control de procesos y por supuesto a nivel industrial que es donde se aplica.

El termino Control de Procesos generalmente es utilizado para referirnos a sistemas que tienen como objetivo mantener ciertas variables de un proceso (industrial, académico, en el hogar, en la medicina, etc) dentro de unos limites de operación deseados.  Estos sistemas de control, pueden constantemente necesitar la intervención humana o simplemente ser totalmente automáticos.  

En la teoría de control es muy común encontrarse con estos dos términos, por eso será importante que aprendas a reconocerlos y sepas cuales son sus principales diferencias, ventajas y desventajas.

Sistema de Control de Lazo Abierto

En estos sistemas, el controlador es colocado en serie con el proceso, con el objetivo de poder manipularlo y sobre todo, intentarlo llevar a la zona de operación deseada, pero SIN medir o SENSAR el estado actual de las variables del proceso (temperatura, velocidad, humedad, concentración, etc)

Es decir, que el sistema de control de lazo abierto interviene sobre el proceso unicamente por medio del conocimiento previo que se tiene del sistema.

Son sistemas de control simples y muy baratos de implementar pero tienen la desventaja que no compensan las posibles variaciones que puede tener la planta, ni las posibles perturbaciones externas.

Lazo Abierto Ejemplos

Vamos a tomar el siguiente proceso industrial que corresponde a una caldera, para poder ilustrar el concepto de un sistema de control de lazo abierto.

En este ejemplo, se dispone de una válvula (entrada) que permite el ingreso de combustible para aumentar o disminuir el calor al interior del proceso, también dispone de un sensor de temperatura local (salida) que permite monitorear la variable al interior del reservatório, adicionalmente, este proceso es afectado por otro flujo que llega al reservatório con una determinada temperatura. El proceso es ilustrado a continuación:

Caldera

La representación del sistema de Control de Lazo Abierto es la siguiente:

Sistema de Lazo Abierto

El controlador configurado en Lazo Abierto para controlar esta caldera, sera un operario (una persona) el cual gracias a su conocimiento del proceso, será el encargado de abrir o cerrar la válvula, con el objetivo que la temperatura alcance en la salida 70 grados centigrados.

Ejemplo de Lazo Abierto

A través de prueba y error el operario conseguira llevar el proceso a la temperatura de 70 grados, sin embargo una vez alcanzada la temperatura, el operario no estará pendiente del proceso, pues tiene otras funciones dentro de la fabrica.

Si suponemos que mientras el operario se encuentra ausente, por algún motivo, la entrada de perturbación del proceso que inicialmente estaba llegando a 50 grados, comienza a llegar a 55 grados, evidentemente la temperatura dentro del proceso se verá afectada y ya no estaría trabajando sobre la zona de operación óptima, dado que como vemos a continuación el proceso subió hasta los 75 grados debido a la perturbación y el operario todavía no se ha dado cuenta del problema.

dinámica del control de caldera

Otra desventaja del control en lazo abierto es la sobrecarga de trabajos repetitivos y sin interés para el operador.  

Estimula a que el operador tienda a ser conservador y trate de operar en regiones más seguras pero menos económicas.  

En el ejemplo anterior, si existiera un riesgo por alta temperatura, el operador iría a trabajar en una temperatura más baja por seguridad, sin embargo esto podría significar una perdida mayor de productos en el proceso, lo que se refleja en una perdida de rentabilidad para la planta industrial.

Sistemas de Control de Lazo Cerrado

Las formas de solucionar los problemas del lazo abierto, será empleando una estructura de control en lazo cerrado.  

En esta estructura puede colocarse un medidor y transmisor de temperatura que realimente el sistema hacia el controlador y mantenga de esa forma la temperatura en su lugar deseado.  

Este valor deseado se conocerá como el Setpoint y será el único valor que será modificado por el operario.  Estos sistemas de control son clasificados como sistemas con retroalimentación o feedback.

Lazo Cerrado Ejemplos

A continuación vemos como se cierra el lazo de control de la caldera, en esta estructura el controlador puede conocer en todo momento el valor de la temperatura y podrá actuar sobre la válvula siempre que sea necesario.

Sistema de control de lazo cerrado

Podemos observar que el valor medido por el sensor sobre la temperatura es llevado a un comparador (o sea, se realiza una resta entre el setpoint y el valor de temperatura leido) esto genera un error, el cual entra al controlador y con base a ese error el controlador sabra si debe abrir o cerrar la válvula con el objetivo siempre de volver cero dicho error.

Analizando la respuesta del sistema, se puede ver que el controlador lleva la temperatura a la referencia y que el operador en este caso no necesita estar pendiente en todo momento del proceso, incluso, en el minuto 60 cuando sucede la perturbación, notemos que el controlador se percata de esto y comienza a cerrar la válvula para traer nuevamente la temperatura hacia la referencia.

Respuesta de la caldera

Con esto podemos concluir que el sistema en lazo cerrado mejora los problemas del lazo abierto y consigue mantener las variables dentro de la zona de operación y consigue rechazar los posibles disturbios.  

El precio a pagar en este sistema es que los controles en lazo cerrado tienden a hacer oscilar al sistema consiguiendo inclusive inestabilizar el proceso. O sea, puede traer problemas de estabilidad al intentar corregir los errores de las variables con relación al setpoint. Por lo tanto su ajuste y diseño serán cruciales para evitar este problema.

Eso es todo por la entrada del dia de hoy, espero les haya gustado y hayan aprendido algo nuevo. Si te ha servido el contenido de esta entrada, de los videos y los códigos de implementación y deseas apoyar mi trabajo invitandome a un café super barato, puedes hacerlo en el siguiente link:

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Que esten muy bien, nos vemos en la siguiente entrada.

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¿Qué es un lazo abierto y uno cerrado?
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¿Qué es un lazo abierto y uno cerrado?
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Un sistema de control de Lazo Abierto es aquel que utiliza el conocimiento del proceso para llevar al sistema hacia una región de operación SIN sensar el estado de las variables, por otro lado, el Lazo Cerrado, realimenta las variables del proceso, lo que le permite al controlador conocer en todo momento el estado actual de estas y le permite corregir los errores que se presenten a lo largo de la dinámica.
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