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La Realimentación
Introducción
Los sistemas de control pueden ser de lazo abierto o de lazo cerrado, según si la
variable controlada no tiene un efecto retroactivo sobre el sistema que la está
controlando, o si por lo contrario sí lo tiene.
En este articulo en particular trataremos el proceso de la realimentación en
sus distintas formas teniendo en cuenta su utilidad, su clasificación,
efectos elementos, etc.
En un sistema de control de la velocidad de un motor, por ejemplo, la modificación
de la variable controlada ( la velocidad) se realiza a través de una acción de
algún tipo. Comprenderemos que esta acción ocurre gracias a un sistema de
corrección de velocidad que es un sistema en lazo cerrado.
Cronología
El uso de la retroalimentación con el objeto de controlar un sistema ha tenido una historia
fascinante:
Las primeras aplicaciones del control con retroalimentación se basan en los mecanismos
regulados con flotador desarrollados en Grecia en el periodo 0 a 300 a.c. El reloj de agua
de Ktesibios usaba un reloj con flotador. Una lámpara de aceite inventada por Pilón en al
año 250 a.c., usaba un regulador con flotador para mantener un nivel constante de aceite.
El primer sistema con retroalimentación inventado en la Europa moderna, fue el regulador
de temperatura de Cornelis Drebbel (1572-1633) de Holanda.
En 1681, Dennis Papin (1647-1712) inventó el primer regulador para calderas de vapor .
El regulador de presión fue una especie de regulador semejante a la válvula de las ollas a presión.
El primer regulador con retroalimentación automática usado en un proceso industrial
fue el regulador centrífugo de James Watt desarrollado en 1769 para controlar la
velocidad de una maquina de vapor.
El regulador de nivel de agua a base de flotador que se dice fue inventado por
I. Polzunov en 1765, es el primer sistema histórico dado a conocer por la unión
soviética. El flotador detecta el nivel de agua y controla la válvula que tapa
la entrada de la caldera.
Realimentación en amplificadores.
La realimentación en amplificadores se emplea para modificar sus
características de funcionamiento.
Una parte de la señal de salida se aplica a la entrada. En la mayoría
de los casos se resta de la señal de entrada. Esto se denomina
realimentación negativa o degenerativa. Sin embargo se puede sumar
a la señal de entrada, en cuyo caso la realimentación se denomina
positiva o regenerativa. La realimentación negativa estabiliza la
ganancia del amplificador, aumenta el ancho de banda y reduce el ruido
de distorsión. Es característica importante de los amplificadores
operacionales. La realimentación positiva tiene justamente el efecto
contrario. Se emplea raramente en amplificadores usándose principalmente
en osciladores. La realimentación también afecta a las impedancias de
entrada y salida de los amplificadores. La forma en que cambian estos
dependen del tipo de realimentación.
Control por realimentación.
Que es?
Por "control automático" o "control por realimentación" (o retroalimentación)
entendemos que el dispositivo alcanza de forma automática los valores establecidos
para sus variables de estado ("output") de forma muy precisa, a pesar de las
variaciones que puedan producirse en la entrada ("input") del dispositivo.
El control por realimentación se llama también control de CICLO CERRADO, frente a
los sistemas de control de CICLO ABIERTO, donde no hay comparación de las variables
de estado con los valores deseados para las mismas. El sistema se realimenta a sí
mismo, pues el control óptimo se obtiene como función del estado real del sistema. La
misma variable que se desea regular retroalimenta el regulador o dispositivo de
control. De esta forma, el control por feedback es autocorrectivo, por lo que si
en el sistema se produce una perturbación imprevista, el sistema es capaz de corregirla.
El "feedback" o control de realimentación es el mecanismo básico por el cual los
sistemas, sean mecánicos, eléctricos, o biológicos, mantienen su equilibrio u
homeóstasis. En las formas de vida superiores, las condiciones bajo las cuales la
vida puede mantenerse son muy estrictas. Un cambio en la temperatura corporal de
medio grado centígrado es normalmente un signo de enfermedad. La homeóstasis del
cuerpo se mantiene gracias al uso del control por retroalimentación.
Ciclo del lazo
En un sistema de lazo cerrado, es de mucha importancia el tiempo que el
sistema tarda en hacer una corrección, evaluar su efectividad, y volver a
corregir. Este tiempo se conoce como Ciclo del Lazo.
Si el ciclo del lazo es lento, la variable controlada sufrirá fluctuaciones
lentas. Si el ciclo del lazo es rápido las fluctuaciones serán rápidas. Según
cual sea la variable controlada se debe determinar el tiempo del lazo, pero
en todos los casos existirán fluctuaciones, lentas o rápidas, en un sistema
de lazo cerrado.
En un sistema de lazo abierto no hay fluctuaciones, pero esto no significa
que sea mejor que el de lazo cerrado.
Efectos
Ahora veamos los efectos de la realimentación en varios aspectos del desempeño de los sistemas:
* Efectos de la realimentación en la ganancia global: esto quiere decir que la realimentación
puede incrementar la ganancia del sistema en un intervalo de frecuencias pero reducirlas en otro.
* Efectos de la realimentación en la estabilidad: la estabilidad es la noción que describe si
un sistema es capaz de seguir los comandos de la entrada, o en general si dicho sistema es útil.
Por tanto debemos establecer que la realimentación puede ocasionar que un sistema que es
originalmente estable, se convierta en inestable; concluyendo podemos determinar que referente
a la estabilidad, la realimentación puede ser un arma de doble filo, cuando no se usa adecuadamente,
puede ser dañina.
* Efectos de la realimentación en la sensibilidad: para esto debemos saber que un buen
sistema de control debe ser insensible a las variaciones de los parámetros(temperatura, ...) ,
pero sensible a los comandos de entrada. La sensibilidad de la ganancia de un sistema
realimentado a la variación de los parámetros depende de donde estén localizados los parámetros.
* Efectos de la realimentación sobre perturbaciones externas o ruido: Todos los sistemas
están sujetos a algunos tipos de señales exógenas o ruido durante su operación, por tanto
el diseño para estos sistemas sean insensibles a estas perturbaciones y sensibles a comandos
de entrada; En general no podemos sacar muchas conclusiones, pero en general la realimentación
puede reducir los efectos del ruido y las perturbaciones en el desempeño del sistema.
Elementos
Los elementos esenciales que aparecen en un sistema de control por realimentación son:
Primero, un elemento que mide las variables de estado ("output").
Segundo, un medio de comparar esa salida con el valor deseado para la misma.
Tercero, un método de realimentar esta información a la entrada (variables de control)
de tal forma que se minimiza la desviación de la salida respecto al nivel deseado.
Los sistemas o procesos de control suelen ser representados de modo conveniente mediante
diagramas funcionales en los que se visualiza el papel de cada uno de los órganos del
sistema. Un ejemplo podría ser el de la figura siguiente:
Se representa en la figura un proceso físico, mecánico, biológico, etc., con una
entrada previsible dentro de ciertos límites, pero no exactamente, y una salida
deseable qD. El valor real de la salida q0 es detectado por una unidad de medida que
envía una señal a un elemento diferenciador. Este mide la diferencia o error qD-q0 y
transmite una señal a la unidad controladora, la cual actúa sobre el proceso de forma
adecuada a fin de anular dicho error.
Obviamente, la estabilidad es una cualidad deseable de cualquier sistema de control.
Es necesario que la perturbación que se efectúa en los controles a fin de corregir
el error de desviación en la salida no cause una alteración excesiva en sentido
contrario al de dicha desviación. De ser así, el error del proceso pasaría
alternativamente de un sentido al otro, desvirtuándose el sistema de control en
su propia finalidad. Un sistema de control inestable puede ejemplificarse en la
marcha de un aprendiz de ciclista. Un pequeño error inicial de dirección y equilibrio
es corregido con intensidad creciente, acabando inexorablemente el recorrido con una caída.
Utilidad
El control por realimentación puede definirse como el uso de las propias variables
de estado como medio de controlar el comportamiento del sistema. Un ejemplo de la vida
diaria de un sistema de control por retroalimentación es el control de la velocidad
de un automóvil, que usa la diferencia entre la velocidad real y la deseada para variar
el flujo de combustible. Ya que la salida del sistema se usa para regular su entrada,
tal dispositivo se dice que es un sistema de control de bucle cerrado.
Para los efectos de la realimentación sobre un sistema de control, es esencial
examinar el fenómeno en el más amplio sentido. Cuando la realimentación es introducida
en forma de liberada para propósitos de control, su existencia se identifica
fácilmente. Sin embargo, existen numerosas situaciones en donde un sistema físico,
que normalmente se reconocería como un sistema inherentemente no realimentado, se
vuelve uno realimentado cuando se observa de cierta manera. En general, se
establecer que cuando una secuencia cerrada de relaciones causa-efecto existe entre
las variables de un sistema, se dice que existe realimentación.
TIPOS DE SISTEMAS.
Los sistemas de control realimentados se pueden clasificar en diversas formas,
dependiendo del propósito de la clasificación. Por ejemplo, de acuerdo con el
método de análisis y diseño, los sistemas de control se clasifican en lineales
y no lineales, variantes con el tiempo o invariables con el tiempo. De acuerdo
con los tipos de señales usados en el sistema, se hace referencia a sistemas en
tiempo continuo y en tiempo discreto, o sistemas modulados y no modulados. A
menudo, los sistemas de control se clasifican dé acuerdo con su propósito
principal. Por ejemplo, un sistema de control de posición y un sistema de velocidad
controlan las variables de salida de acuerdo con la forma como su nombre lo indica.