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 en aplicaciones a nivel industrial.
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.
¿Qué es lazo abierto y lazo cerrado ejemplos?
Un sistema en lazo abierto es aquél que la salida sensada del proceso no es comparada con la señal de referencia.
Un sistema en lazo cerrado toma la salida del proceso y la compara con la señal de referencia para conocer en todo momento la evolución de la variable.
Por lo tanto la diferencia entre un sistema de lazo abierto y lazo cerrado radica en el monitoramiento constante de la variable que se desea controlar, el lazo abierto nunca sabe como la variable se comporta, mientras que el lazo cerrado conoce en todo momento la evolución de la variable.
Ejemplo de un sistema de control en bucle abierto es una lavadora, dado que es un sistema que trabaja en base al tiempo y a un programa preestablecido, sin embargo no mide la limpieza actual de la ropa.
Un ejemplo de un sistema en bucle cerrado sería una tostadora automática que mide la temperatura, humedad y el nivel de sequedad de las tostadas, ajustatando la temperatura por medio de un termstato.
Sin embargo vamos a profundizar mejor en estos dos términos tan importantes en la teoría del control.
Software para estudiar Control
Si estas estudiando teoría de control, bien sea que estas cursando una disciplina o una carrera enfocada en control como ingeniería electrónica, mecatrónica, química, eléctrica, etc. El aprender a utilizar un software especializado para control te va a dar una ventaja tremenda para poder entender y proyectar estos sistemas.
El software para teoría de control por excelencia es Matlab, donde su estructura de programación en paralelos a través de diagramas de bloques se conoce como Simulink.
Con Simulink tienes un potencial enorme de elaborar diversos sistemas de control de una forma visual y muy intuitiva. Si estas interesado en aprender simulink quiero recomendate mi curso el cual actualmente cuenta com más de 1000 estudiantes en la plataforma de Udemy conocido como Simulink desde Cero:
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Sistema de Control de Lazo Abierto
Los sistemas de control de lazo abierto no utilizan una señal de retroalimentación y, por lo tanto, no son tan precisos ni estables como los sistemas de control de lazo cerrado. Sin embargo, aún tienen su uso en ciertas aplicaciones donde la precisión no es crítica.
En un sistema de lazo abierto 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.
Los sistemas de control en lazo abierto son 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.
Ejemplos de Sistemas de Control en Lazo Abierto
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:
La representación del sistema de Control de Lazo Abierto es la siguiente:
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.
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.
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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.
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
Los sistemas de control de lazo cerrado son ampliamente utilizados en una variedad de industrias para regular y controlar procesos automatizados. Un sistema de control de lazo cerrado, también conocido como sistema de control de realimentación, utiliza una señal de retroalimentación para comparar el resultado deseado con el resultado actual y ajustar el proceso en consecuencia. Esto permite una mayor precisión y estabilidad en comparación con los sistemas de control de lazo abierto.
En un sistema en lazo cerrado se 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.
Un ejemplo típico de un sistema de control de lazo cerrado es un controlador PID, que es utilizado para controlar la temperatura en un horno o la velocidad de un motor eléctrico. El controlador PID utiliza un algoritmo matemático para calcular la diferencia entre la temperatura deseada y la temperatura actual, y ajusta el proceso en consecuencia para lograr una mayor precisión y estabilidad.
Ejemplos de un Sistema en Lazo Cerrado
A continuación vemos el ejemplo de un sistema de control en lazo cerrado 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.
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.
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.
En un sistema de control en lazo cerrado, la función de transferencia es esencial para analizar cómo se comporta el sistema ante diferentes entradas y perturbaciones. Para una comprensión más profunda de cómo se determina y utiliza la función de transferencia en sistemas de control, te sugerimos revisar nuestro artículo completo sobre Función de Transferencia.
Ventajas y Desventajas de los Sistemas de Lazo Cerrado
Aplicaciones Industriales
Los sistemas de lazo cerrado son ampliamente utilizados en industrias que requieren un alto grado de precisión y estabilidad. Algunas aplicaciones industriales incluyen:
- Control de temperatura en hornos industriales.
- Regulación de velocidad en motores eléctricos.
- Control de nivel en tanques de almacenamiento de líquidos. Estos sistemas permiten un control preciso y automático, ajustando continuamente las entradas en respuesta a las salidas monitoreadas.
Desafíos de Implementación
El diseño y ajuste de sistemas de lazo cerrado presentan desafíos, principalmente relacionados con la estabilidad y la oscilación. Un controlador mal ajustado puede causar oscilaciones indeseadas o incluso inestabilidad en el sistema. Por ejemplo, un termostato mal calibrado puede provocar fluctuaciones de temperatura, lo que resulta en un control ineficaz. Por lo tanto, es crucial un diseño cuidadoso y una sintonización adecuada del controlador para evitar estos problemas.
Comparación de Rendimiento: Lazo Abierto vs Lazo Cerrado
Análisis de Caso: Control de Temperatura
Considere un sistema de control de temperatura para un horno. En un sistema de lazo abierto, el horno se calienta durante un tiempo predefinido sin medir la temperatura interna, lo que puede resultar en una cocción inconsistente. En un sistema de lazo cerrado, un sensor de temperatura retroalimenta continuamente al controlador, ajustando la energía de calentamiento para mantener una temperatura constante. Los gráficos y datos experimentales muestran que el sistema de lazo cerrado ofrece una mayor precisión y estabilidad en la temperatura en comparación con el sistema de lazo abierto.
Estudio de Caso: Automatización de Procesos
En la automatización industrial, los sistemas de lazo cerrado son esenciales para procesos críticos. Por ejemplo, en la producción de bebidas, mantener el nivel de líquido en las botellas dentro de un rango preciso es crucial. Un sistema de lazo abierto no ajustará el flujo en respuesta a las variaciones en el llenado, mientras que un sistema de lazo cerrado ajusta continuamente la velocidad de llenado en respuesta a la medición del nivel, asegurando una consistencia superior.
Diagrama de Bloques Lazo Abierto y Lazo Cerrado
En los sistemas de control, será importante entender la representación de diagramas de bloques, dado que es uno de los aspectos básicos de esta disciplina. En este sitio WEB ya explicamos en detalle como entender y reducir un Diagrama de Bloques de los Sistemas de Control.
A partir del siguiente diagrama de bloques, podemos caracterizar un sistema de Lazo Abierto y un Sistema de Lazo cerrado, siempre observando las señales (Las letras sobre las flechas).
donde:
- R(s) es la referencia
- E(s) es el error (R – B)
- C(s) es la Salida del proceso
- B(s) es la salida del sensor instalada en el proceso
Función de Transferencia Lazo Abierto y FeedForward
La función de transferencia de lazo abierto es la relación entre la señal del sensor B(s) y la señal de error actuante E(s).
\dfrac{B(s)}{E(s)}=G(s)H(s)La función de transferencia feedforward es la relación entre la salida del proceso C(s) y el error actuante.
\dfrac{C(s)}{E(s)}=G(s)Cuando la realimentación del lazo es unitária, o sea H(s) = 1, entonces la función de transferencia de lazo abierto y la de feedforward son las mismas.
Función de transferencia Lazo Cerrado
En este caso todo el diagrama de bloques anterior corresponde a un lazo cerrado, donde la relación de la salida C(s) con la entrada R(s) viene dado por:
\dfrac{C(s)}{R(s)}=\dfrac{G(s)}{1+G(s)H(s)}Cuadro Comparativo de Lazo Abierto y Lazo Cerrado
Veamos el siguiente cuadro comparativo que resume todo lo que hemos aprendido en esta entrada mostrando las ventajas y desventajas del lazo abierto y el lazo cerrado.
Ventajas
| Sistema en Lazo Abierto | Sistema en Lazo Cerrado |
|---|---|
| Son de diseño simple y fáciles de implementar. | Tienen una señal de retroalimentación para controlar la salida por lo tanto precisos y menos propensos a errores. |
| Son más economicos que otro sistema de control. | Corrgien errores mediante la señal de realimentación. |
| Son comvenientes para cumplir tareas por ciclos o tiempos. | Son menos afectados por el ruido del proceso |
| Requieren poco mantenimiento | Soportan automatización del proceso |
Desventajas
| Sistema en Lazo Abierto | Sistema en Lazo Cerrado |
|---|---|
| El sistema de no tiene retroalimentación por lo que no facilita la automatización del proceso. | Son más complejos de ser diseñados y ajustados. |
| Son sistemas inexactos y poco precisos. | Son sistemas caros. |
| Es afectado por las perturbaciones externas del proceso. | Requieren alto mantenimiento. |
| No es capaz de corregir las desviaciones de la salida de forma automática. | Provocan osiclaciones dentro del proceso si no son bien ajustados. |
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Ejemplos de control lazo abierto y cerrado
A continuación vamos a mencionar otros ejemplos característicos de los sistemas de control de bucle abierto y de bucle cerrado para afianzar mejor el entendimiento de estos conceptos:
LAZO ABIERTO
- Una lavadora automática que funciona por ciclos
- Un foco eléctrico que ilumina pero no mide los lúmenes.
- Secador de manos eléctrico el cual no mide la temperatura.
- Tostadora de pan temporizada
- El volumen de un equipo de sonido.
- El grifo de agua de la cocina.
- El mando a distancia de la TV
- Una secadora de ropa
- Cortinas o persianas en una ventana, el cual no mide la cantidad de luz entrante a la sala.
- Un motor paso a paso.
- Impresoras de inyección de tinta
- Sistemas de cerradura de puertas, etc.
5 EJEMPLOS DE LAZO CERRADO
- Un plancha Eléctrica Automática que mide la temperatura de las resistencias calefactores de hierro para poder regularla.
- Un estabilizador de voltaje servo, realimentando el voltaje de salida del sistema.
- Controlador de nivel de agua: mide la altura al interior del tanque permitiendo o no el ingreso de más agua.
- Aire acondicionado ajustando automáticamente su temperatura según la temperatura ambiente.
- Un regulador de velocidad de un motor que usa un tacómetro y / o un sensor de corriente para detectar la velocidad y enviarla por medio de una retroalimentación al sistema para controlar su velocidad.
Preguntas Frecuentes (FAQ) sobre Lazo Abierto y Lazo Cerrado
Resolución de Problemas Comunes
Pregunta: ¿Qué hacer si mi sistema de lazo cerrado está oscilando?
Respuesta: La oscilación en un sistema de lazo cerrado generalmente indica un problema de sintonización del controlador. Ajustar los parámetros del controlador PID (Proporcional, Integral, Derivativo) puede ayudar a estabilizar el sistema. Se recomienda utilizar métodos de sintonización como Ziegler-Nichols para obtener valores iniciales adecuados.
Pregunta: ¿Puedo convertir un sistema de lazo abierto en uno de lazo cerrado?
Respuesta: Sí, es posible convertir un sistema de lazo abierto en uno de lazo cerrado añadiendo sensores para monitorear las variables de salida y un controlador que ajuste las entradas en función de las mediciones. Este proceso generalmente requiere una evaluación cuidadosa del sistema existente y un diseño adecuado del bucle de retroalimentación.
Pregunta: ¿Qué ventajas tiene utilizar Matlab para el estudio de sistemas de control?
Respuesta: Matlab ofrece un entorno robusto para el desarrollo de algoritmos de control, simulación y análisis de sistemas. Su integración con Simulink permite una visualización intuitiva y detallada de modelos de sistemas dinámicos, facilitando el diseño y la optimización de sistemas de control.
Resumen
En resumen, los sistemas de control de lazo cerrado son ideales para aplicaciones en las que se requiere un alto grado de precisión y estabilidad, mientras que los sistemas de control de lazo abierto son más adecuados para aplicaciones en las que la precisión no es crítica. Ejemplos de sistemas de control de lazo cerrado son el control de temperatura en un horno, control de velocidad en un motor, entre otros.
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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