Fundamentos de Sistemas de Control, Dureza de Materiales y Lógica Booleana

En un sistema automático, definimos:

Señal

Es la información que representa una determinada magnitud física, así como su evolución, generalmente con el tiempo (pero no necesariamente).

Sistema de control

Conjunto o combinación de componentes que actúan juntos para realizar el control. Inicialmente, estos sistemas eran mecánicos, pero ahora estas funciones corren a cargo de la electrónica y la informática.

Unidad de control

Unidad que genera una acción de gobierno sobre el sistema controlado para producir la salida deseada sin la acción del operador.

Sistemas de Control en Lazo Abierto y Cerrado

Sistema de control en lazo abierto

Son aquellos en los que la señal de salida no tiene influencia sobre la de entrada. El operador actúa sobre la señal de mando. Un componente del sistema de control denominado transductor se encarga de transformar una determinada magnitud de entrada en otra de salida más apta para su manipulación, denominada señal de referencia. Esta, una vez amplificada, actúa sobre el proceso para obtener la señal controlada. Si las condiciones de demanda exterior cambian, el sistema no lo sabrá y, por tanto, estará en funcionamiento de la misma forma y sin conocimiento de esta perturbación exterior, cuando en realidad tendría que actuar en función de la que demanda exterior suba o baje. Ejemplos de sistemas de control en lazo abierto incluyen una tostadora, una lavadora o el control de velocidad de un motor en derivación.

Sistema de control en lazo cerrado

Son aquellos en los que existe una realimentación de la señal de salida, y esta tiene efecto sobre la acción de control. El instrumento encargado de detectar la señal de salida para utilizarla de nuevo es el captador. Luego compara la señal de referencia con la señal controlada, para determinar cuál es la diferencia entre ambas. Esta señal de error se denomina señal activa y es la que entra al regulador o controlador. El controlador debe actuar de manera que la variable controlada siga las variaciones de la variable de referencia o corrija los efectos de las perturbaciones con la máxima rapidez y exactitud y el mínimo de oscilaciones posible. En este elemento se deben ajustar óptimamente unos parámetros para obtener una respuesta deseada. Ejemplos de este tipo de sistemas son el mecanismo de llenado de una cisterna de agua, la acción de un ser humano al desplazarse, el dispositivo de direccionamiento de un cañón, los sistemas de control de nivel de líquidos y sólidos, o un climatizador.

Dureza de Materiales

Definición de dureza

La dureza es la resistencia que ofrece un material a ser rayado o penetrado por otro. La propiedad mecánica que se determina a través de los ensayos de dureza es la cohesión.

Ensayos de dureza

Ensayo Brinell

Consiste en comprimir una bola de acero templado de un diámetro determinado contra el material a ensayar, por medio de una carga (F) y durante un tiempo determinado. Medimos el diámetro de la huella y calculamos la dureza del material, en función de la carga aplicada y el área del casquete de la huella.

Ensayo Vickers

Para este ensayo, el penetrador que se utiliza es una pirámide regular de base cuadrada. Se recomienda usar este ensayo para durezas mayores de 500 HB. Se puede utilizar tanto para materiales duros como blandos.

Ensayo Rockwell

El penetrador consiste en una bola para materiales blandos (HRB) y para materiales duros un cono (HRC). Se aplica una carga de 10 kp al penetrador hasta conseguir una pequeña huella, se mide su profundidad h₁. Se aumentan las cargas en 90 kp para el penetrador bola y 140 kp para el cono, se mantiene la carga un tiempo entre 3 y 6 segundos y se mide su profundidad producida h₂. Se retiran las cargas adicionales. El penetrador se recuperará o ascenderá hasta la posición h₁ + e. El valor de e no es 0 ya que las deformaciones que se producen en el material son plásticas y elásticas.

Ensayo dinámico por choque (ensayo de resiliencia)

La finalidad del ensayo dinámico por choque es la determinación de la energía absorbida por una probeta de determinadas dimensiones, al provocar su ruptura de un solo golpe. Este ensayo es muy importante para conocer el comportamiento del material destinado a la fabricación de ciertas piezas y órganos de máquinas, ya que han de estar sometidos a esfuerzos dinámicos. La máquina más utilizada en el ensayo de resiliencia es el péndulo de Charpy.

Conversiones Numéricas

• Decimal a binario: 45₍₁₀₎ = 101101₍₂₎
• Binario a decimal: 1011110011₍₂₎ = 755₍₁₀₎
• Decimal a hexadecimal: 7824₍₁₀₎ = 1E90₍₁₆₎

Álgebra de Boole

Variable lógica

Es una afirmación exenta de ambigüedad que se manifiesta por medio de una oración gramatical y que vamos a representar mediante un símbolo.

Función lógica

Variable dependiente de las anteriores que serán independientes. Se representa mediante una tabla de la verdad.

Teoremas del álgebra de Boole

a + a • b = a

Demostración: a + ab = a • (1 + b) = a • 1 = a

a + a • b = a + b

Demostración: a + ab = (a + a) • (a + b) = 1 • (a + b) = a + b

b • (a + b) = a • b

Demostración: (b • a) + (b • b) = b • a + 0 = b • a = a • b

Componentes de un Sistema de Control

Un sistema de control es un conjunto o combinación de componentes que actúan juntos para realizar el control. Además de la planta o el proceso que se vaya a controlar, son componentes o partes del sistema de control:

• Mandos de entrada: como el selector de la temperatura de una vivienda, que permiten fijar el valor deseado de una variable.
• Captadores: como la boya detectora del nivel de una cisterna de baño, que miden el valor real alcanzado por una variable.
• Comparadores: calculan la diferencia entre valores.
• Amplificadores y actuadores: multiplican la señal de salida del comparador de modo suficiente para actuar con potencia elevada sobre el sistema o proceso a controlar.

Tipos de Señales en Sistemas de Control

• Señal analógica: la magnitud observada presenta una evolución continua en el margen de funcionamiento. Es decir, entre dos valores cualquiera siempre se pueden encontrar los que se deseen.
• Señal digital: entre dos valores no hay intermedios: se salta directamente de uno a otro. En caso de que sólo admita dos estados posibles (abierto-cerrado, marcha-paro, alto-bajo, 0-1, etc.) se llama señal binaria.

Transductores de Temperatura

Un transductor transforma la señal que sale del sensor en otra de tipo eléctrico que se pueda usar para medir. El transductor incluye el sensor como una parte de él. Dentro de los transductores de temperatura existen 3 tipos:

• Termorresistencias: se basan en la variación de la resistencia de un conductor con las temperaturas.
• Termistores: se basan en la variación de la resistencia de un semiconductor con la temperatura. Pueden ser PTC y NTC.
• Termopares: se basan en la aparición de una fuerza electromotriz creada en la unión de dos metales distintos al variar la temperatura.