Concepto de sistema

¿Sería posible que una central nuclear funcionara si las personas responsables tuvieran que controlar ellas mismas todos y cada uno de los elementos y factores del proceso? ¿Podría construirse un microchip en estas condiciones, con su tan reducido tamaño y la complejidad de su diseño? ¿Podría operar un satélite artificial? La respuesta a todas estas preguntas es, obviamente, no.

Gran parte de la tecnología desarrollada por el ser humano se compone de sistemas: agrupaciones de elementos mecánicos, eléctricos, neumáticos y de otra índole que, trabajando juntos, alcanzan un fin determinado. Un ejemplo de sistema puede ser un aserradero donde los troncos son recibidos, despojados de su corteza y troceados hasta llegar a las dimensiones deseadas; otro, una cadena de montaje de automóviles. Los sistemas ofrecen las ventajas de mejorar la eficiencia de los procesos productivos y facilitar el trabajo.

Debido al desarrollo tecnológico los sistemas han llegado a hacerse tan complejos que no podrían funcionar correctamente si su manejo dependiera del ser humano, cuyas capacidades de control pronto se verían superadas. Un paso necesario fue, por tanto, conseguir que los sistemas se controlaran solos, en otras palabras: que funcionaran automáticamente. Gracias a este concepto, los aviones vuelan buena parte de su trayecto mediante pilotos automáticos. En el ámbito doméstico, existen sistemas de calefacción que, ellos solos, mantienen la temperatura deseada en el hogar y sistemas de alarma que avisan de la presencia de intrusos.

Entre los numerosos tipos de sistemas existentes, los de control son los que permiten que una máquina o proceso opere sin la supervisión permanente del ser humano. Tales sistemas reciben una orden o señal de entrada que les indica lo que se desea obtener de ellos, y a partir de la cual actúan y entregan una señal de salida que, por el control llevado a cabo, poseerá el valor requerido.

Los sistemas de control se componen de distintos elementos, cada uno de ellos con una función bien definida, y que trabajan de manera firmemente ligada, relacionados unos con otros. A menudo, para el diseño de los sistemas de control resulta necesaria la elaboración de un modelo matemático, consistente en una serie de ecuaciones que reproducen de forma matemática el funcionamiento del sistema.

Los sistemas y sus clases

Un sistema es un conjunto de elementos diversos, de fabricación humana, que operan en grupo con el fin de lograr un objetivo. Tales elementos no trabajan de forma independiente, sino que se encuentran relacionados entre sí, de modo que la acción de cada uno de ellos afecta a los demás.

Los sistemas pueden ser de muy diferentes tipos: mecánicos, electrónicos o hidráulicos, dependiendo de la naturaleza de los elementos que los forman. Si, además, el sistema es capaz de funcionar de modo automático, sin que resulte necesaria la intervención humana, se habla de sistema de control automático.

Las ventajas de los sistemas de control automático son evidentes. Alivian al ser humano de infinidad de tareas, a la vez que son capaces de mejorar el trabajo tanto en calidad como en cantidad. Por tanto, no resulta extraño que a lo largo de la historia de la humanidad se haya perseguido un continuo perfeccionamiento de este tipo de sistemas.

Un sistema de control automático muy sencillo y utilizado desde antiguo es una trampa de caza, la cual se acciona por sí sola cuando una presa cae en ella, atrapándola. Imaginemos, por ejemplo, un cepo o un lazo corredizo. La intervención del hombre no es necesaria para hacer funcionar la trampa.

Las trampas de caza constituyen sistemas automáticos usados desde muy antiguo. Están ideados de manera que la propia presa activa el mecanismo que permite atraparla.

Los relojes son otros sistemas capaces de operar por sí mismos, ya se encuentren integrados por elementos mecánicos, como engranajes; electrónicos, regulados por microchips, o, como en los antiguos relojes de agua egipcios, por elementos hidráulicos. La cisterna de un inodoro es un ejemplo más de sistema automático, ya que es capaz de controlar por sí sola su vaciado y llenado.

Las conocidas cisternas de los inodoros ofrecen otro ejemplo corriente de un sistema de funcionamiento automático.

La llegada de la revolución industrial durante el siglo xviii, en particular con la invención de la máquina de vapor, influyó notablemente sobre los sistemas de control automático, aumentando su complejidad a la vez que ampliando su campo de aplicaciones. Basta mencionar como ejemplo el regulador centrífugo de Watt, un sistema constituido por una válvula accionada mediante vapor y una serie de palancas y contrapesos giratorios que permitía controlar la velocidad de las máquinas de vapor.

El desarrollo de la electrónica que tuvo lugar a mediados del siglo xx representó un nuevo impulso para los sistemas de control automático. Coincidiendo con la Segunda Guerra Mundial, sistemas de este tipo se incorporaron a aviones, radares y dispositivos de tiro, entre otros equipamientos militares. Tales sistemas, aplicados posteriormente al ámbito civil, fomentaron la evolución de las comunicaciones por teléfono y radio, entre otros aspectos.

Los radares de uso militar y civil supusieron durante la Segunda Guerra Mundial un elemento de avance extraordinario en el desarrollo de los sistemas de control automático.

El siguiente paso en el desarrollo de los sistemas automáticos fue parejo al nacimiento de la informática o computación. Dicha disciplina continúa prestando hasta el día de hoy un incontable servicio a estos sistemas, hasta el punto de haberlos convertido en elementos indispensables, presentes tanto en misiles nucleares y plantas químicas como en el entorno más cotidiano, en forma de computadoras personales, sistemas de calefacción y aire acondicionado, etc.

Sistemas de control

Dentro de los muy diversos sistemas existentes en los ámbitos de la industria y la tecnología merecen destacarse por su especial importancia los sistemas de control. Su misión consiste en controlar solos la operación de una máquina o proceso. El funcionamiento de un sistema de control se basa en una señal u orden de entrada y entrega como resultado una señal de salida, fruto de la actuación del sistema sobre la máquina o proceso.

Estos sistemas están formados por una serie de componentes, conocidos de manera general como elementos de control. Al igual que en cualquier otro tipo de sistema, los elementos de control funcionan estrechamente ligados entre sí. Entre ellos figuran sensores, comparadores, controladores y actuadores.

Los aparatos de aire acondicionado, por ejemplo, acostumbran a ir acompañados de un sistema de control gracias al cual pueden mantener la temperatura de una estancia a un valor constante. La señal de entrada es, en este caso, el valor de la temperatura con que se programa el sistema, y que actúa como referencia; es, por tanto, el valor que se desea conseguir. Por otra parte, la salida es el valor de la temperatura producida por el aparato. El sistema de control se encarga de regular el funcionamiento del acondicionador de aire, generando más o menos frío, para hacer que la señal de salida se iguale a la de entrada.

Las computadoras, hoy elementos presentes en la industria, la empresa y los hogares, constituyen una clase de sistema «inteligente» y altamente complejo, formado por componentes electrónicos y eléctricos.

En términos generales, los sistemas de control se dividen en dos tipos: de lazo abierto y de lazo cerrado. La diferencia entre ambos radica en que la señal de salida cuenta, o no, con la posibilidad de influir sobre la acción de control.

Sistemas de control de lazo abierto

El de lazo abierto es el tipo más simple de sistema de control. Desde el exterior, estos sistemas reciben una señal de entrada que los hace actuar sobre la máquina o proceso que se debe controlar, y entregan una señal de salida, producida por la máquina o proceso. Esta última señal carece, sin embargo, de la posibilidad de influir sobre el control realizado.

Un ejemplo sencillo lo constituye una lámpara eléctrica provista de un interruptor de encendido y apagado. En este caso, la lámpara constituye el proceso que se ha de controlar, mientras que el interruptor es el sistema de control. La señal de entrada es el acto de accionar el interruptor; la de salida, la luz producida por la lámpara y que ilumina una habitación.

Una simple lámpara con interruptor es un ejemplo sencillo de un sistema de control de lazo abierto.

En este ejemplo, al accionar el interruptor con una señal de entrada se enciende la bombilla; una nueva señal acciona el mismo interruptor y en la bombilla se apaga. Sin embargo, la señal de salida no tiene efecto alguno sobre el interruptor. Si, por ejemplo, la luz de la lámpara se vuelve innecesaria porque ha salido el sol y la habitación ya está bastante iluminada, la lámpara no puede enviar una señal al interruptor para que éste la apague.

A pesar de las evidentes limitaciones que presentan los sistemas de lazo abierto, con ellos es posible también realizar un control de las señales de salida más preciso que el del ejemplo descrito. Supongamos que, en lugar de una lámpara, el proceso sometido a control es un horno eléctrico. Al igual que en el caso anterior el sistema de control consiste en un mero interruptor. Cuando éste es accionado, se cierra el circuito eléctrico que enciende el horno. Así, la temperatura empieza a elevarse de forma constante hasta que el sistema de calentamiento alcanza el límite de su capacidad y ya no puede aportar más calor. A partir de este momento, el horno se mantendrá a la misma temperatura.

Supongamos ahora que no se quiere cocinar a la temperatura máxima que alcanza el horno, sino a otra inferior. Hay dos formas de hacerlo: el control discontinuo y el continuo. El control discontinuo, el más rudimentario de ambos, consiste en accionar el interruptor intermitentemente; es decir, en encender y apagar el horno a intervalos. De esta forma se le impide alcanzar la temperatura máxima y también quedarse frío del todo, pudiéndose cocinar a una temperatura intermedia.

Mandos para el control del volumen de un aparato de reproducción de música.

En el caso del control continuo, el interruptor mantiene siempre el circuito eléctrico cerrado y, por tanto, al horno funcionando. Sin embargo, es necesario un elemento que permita regular la potencia que se comunica al aparato, de modo que cuanto mayor sea la potencia más alta será la temperatura. Los equipos de música disponen de un control similar para el volumen del sonido. Una vez encendidos, el volumen se controla mediante un regulador que permite subirlo o bajarlo.

Puede pensarse que un sistema abierto y discontinuo como el anterior es más que suficiente para controlar un proceso, y quizá sería así si no fuera por algo conocido como perturbaciones. Las perturbaciones son señales ajenas al sistema, que poseen influencia sobre él y que no resultan posibles de controlar.

Diagrama de bloques de un lazo abierto. Mando de un equipo de aire acondicionado.

En el ejemplo del horno, algunas de las perturbaciones posibles son la temperatura ambiente y las oscilaciones de la tensión eléctrica. Aunque mediante el regulador se haya fijado una temperatura, un descenso de la tensión eléctrica puede hacer que ésta no se llegue a alcanzar. Por otra parte, si la temperatura ambiente es alta, al sumarse a la del horno puede provocar un valor superior al fijado con el regulador.

Para evitar el efecto de las perturbaciones y mantener la señal de salida del proceso siempre en el valor deseado, el sistema debería ser capaz de medir tal señal en cada instante y, dependiendo de su valor, actuar sobre el mecanismo de control. Esto es precisamente lo que hacen los sistemas de lazo cerrado.

Sistemas de control de lazo cerrado

En este tipo de sistemas, la señal de salida de la máquina o proceso se halla unida a la de entrada a través de lo que se conoce como bucle de realimentación. De este modo puede influir sobre ella y, por tanto, también sobre el control realizado.

Para que pueda operar así, el sistema debe disponer de un sensor que mida el valor de la señal de salida. Tal valor se compara con otro de referencia, que es el que se desea que alcance la señal. Dependiendo de la diferencia entre esos dos valores, se actuará sobre el control modificando la señal de entrada.

El termostato de un aparato de calefacción representa un buen ejemplo de sistema de control de lazo cerrado. En primer lugar se introduce el valor de la temperatura que se desea alcanzar. Mientras el aparato de calefacción está funcionando, el termostato mide la temperatura existente en el lugar y la compara con la fijada como referencia. Cuando el valor térmico medido supera a ésta, el termostato se encarga de enviar una señal a la calefacción para que deje de funcionar.

Elementos de los sistemas de control

El tipo y la cantidad de los elementos que integran un sistema de control dependen tanto de la complejidad del proceso que está sujeto al control como de la precisión que sea necesario alcanzar en el control de la señal de salida. Los más importantes son el sensor, el comparador, el controlador y el actuador.

Conocido también como captador, un sensor se ubica a la salida del proceso y se encarga de medir la señal de salida, dato que envía a otro elemento, llamado comparador. El tipo de los sensores depende de la naturaleza de la señal que han de medir. Hay, por ejemplo, sensores de temperatura, de presión, de caudal, de nivel, etc.

Por su parte, el comparador es el elemento que recibe del sensor la medida de la señal de salida y la contrasta con el valor establecido como referencia. Según el resultado puede darse una nueva señal, conocida como señal de error, que pasa al siguiente elemento de control.

Siempre que exista una diferencia entre la señal de salida y la de referencia, este elemento recibe una señal de error. Como respuesta envía una orden al siguiente elemento de control del sistema, llamado controlador, para que tal diferencia sea eliminada. En el caso de que la diferencia sea nula, el controlador no actúa.

Finalmente, el actuador recibe las órdenes del controlador cuando es necesario eliminar una señal de error. Dependiendo de tales órdenes, actúa sobre la máquina o proceso controlado, modificando su funcionamiento, para que la señal de salida pase a ser la que se desea.

Como clase particular de actuadores destacan los servomecanismos. Su nombre proviene de la combinación de la palabra latina servus, esclavo, y la griega mechané, máquina. Se trata, así, de máquinas que, obedeciendo órdenes, operan sobre otra máquina o proceso y ayudan a controlarlo. Los servomecanismos pueden ser mecánicos, eléctricos, hidráulicos, neumáticos, electrónicos o una combinación de diversos tipos.

La rapidez con que son capaces de operar estos elementos resulta de gran importancia. El sensor y el comparador, por ejemplo, deben ser rápidos para que, si la señal de salida se aparta de la de referencia, la desviación sea captada y corregida con prontitud. En el caso del actuador no basta con que sea rápido sino que también debe ser preciso, tiene que corregir las desviaciones de la señal de salida con exactitud y evitando en la medida de lo posible que se produzcan oscilaciones.

Una oscilación en la señal de salida tiene lugar cuando su corrección se realiza de forma demasiado brusca. Supóngase que el valor de la señal de salida es superior al establecido como referencia. Si el actuador opera de forma excesivamente repentina al reducir el valor de salida, tal vez lo reduzca más de lo deseado hasta situarlo por debajo del de referencia. Se generaría entonces una nueva señal de error y resultaría necesario corregir de nuevo el funcionamiento de la máquina o proceso.

Si el actuador vuelve a operar de modo brusco, ahora la señal de salida volverá a situarse por encima de la de referencia, y así sucesivamente, provocando una cadena de correcciones. En consecuencia, y dependiendo de la máquina o proceso bajo control, puede resultar más apropiado un actuador que opere de forma un poco más lenta pero que, en contrapartida, no dé lugar a oscilaciones.

El sistema de control recién descrito es uno de los más sencillos. En la práctica, la complejidad suele ser bastante mayor. En primer lugar, dentro de un sistema los elementos de control pueden aparecer repetidos; no tiene por qué haber un solo sensor, un solo comparador, etc. Debe pensarse que muchas de las máquinas y procesos en control son de una enorme complejidad, como un reactor nuclear o los motores de un avión.

Tales máquinas y procesos no poseen una única señal de entrada y otra de salida, sino varias de cada clase. Esto obliga a que también la cantidad de elementos de control sea mayor. Dado que todos estos elementos operan en relación unos con otros, el sistema se vuelve muy complejo: una gran red de elementos interconectados y que se envían señales entre sí. Para facilitar el diseño y estudio de tales sistemas se han desarrollado diversos métodos, entre los que destacan los diagramas de bloques.

El termostato de un aparato de calefacción es un ejemplo de sistema de control de lazo cerrado.

El termostato de un aparato de calefacción es un ejemplo de sistema de control de lazo cerrado.

Diagramas de bloques

Un sistema de control se puede representar de forma gráfica mediante un conjunto de bloques, o rectángulos, y flechas que unen a los anteriores entre sí. Los bloques representan los diferentes elementos de control: sensores, controladores, etc.; las flechas indican las señales que entran y salen de ellos.

En un bloque pueden entrar y salir una o varias señales. Se llama nudos a los puntos donde se reúnen varias señales; de ellos parte, a su vez, otra nueva señal, resultante de combinar las anteriores. Un nudo se dice aditivo cuando la señal que surge de él es suma de las que entran, y diferenciador si la señal que parte de él es la resta de las de entrada.

Las diferentes combinaciones de bloques y flechas permiten elaborar diversos sistemas de control. Así, los bloques pueden conectarse en serie, cuando la señal que parte de uno entra en el siguiente; en paralelo, si comparten una misma señal de entrada y que las que surgen de ellos converjan en un nudo, o estar conectados formando un lazo, si la señal que surge del último bloque de un grupo se une a la que entra en el primero.

A menudo se da el caso de que la máquina o proceso sometido a control es tan complejo, y con ello también su sistema de control, que un diagrama de bloques resulta insuficiente para realizar su estudio. En tales ocasiones se recurre a los modelos matemáticos, una herramienta ampliamente utilizada en diversas ramas de la ciencia y la tecnología.

Esquema de un diagrama de bloques. La cámara fotográfica constituye un ejemplo de su aplicación práctica.

Esquema de un diagrama de bloques. La cámara fotográfica constituye un ejemplo de su aplicación práctica.

Un modelo matemático consiste en un conjunto de ecuaciones que reproducen el funcionamiento de determinada parte de la realidad. En el caso particular de los sistemas de control, las ecuaciones reproducen cada uno de los elementos que los integran, así como las relaciones existentes entre ellos, además del proceso que se controla. Tales ecuaciones permiten, por ejemplo, conocer cuáles son los valores de las señales de salida cuando se experimentan alteraciones en las de entrada.

Sin embargo, puede ocurrir que la traducción de un sistema de control a ecuaciones matemáticas resulte demasiado complicada. La solución en estas ocasiones consiste en emplear modelos matemáticos que no reproduzcan el funcionamiento del sistema con una exactitud total, sino de manera aproximada. Estos modelos aproximados han de ser lo bastante cercanos a la realidad para que sea posible obtener resultados dentro de un margen aceptable de error. El uso y perfeccionamiento de modelos matemáticos ha ido parejo al desarrollo de los ordenadores, que permiten el manejo de las enormes cantidades de datos generadas por aquéllos.