Sistemas de control y robótica

Un sistema de control es un conjunto de componentes físicos conectados o relacionados de tal manera que regulen, dirijan o comanden su propio comportamiento o el de otro sistema. En Tecnología e Ingeniería, entender estos sistemas es vital para la automatización de procesos.

Para comprender cómo funcionan, debemos manejar los siguientes conceptos:

• Variable controlada: Es el parámetro que se desea mantener en un valor específico (por ejemplo, la temperatura de una habitación).
• Variable manipulada: Es la magnitud que el sistema modifica para alterar la variable controlada (por ejemplo, el flujo de gas en una caldera).
• Señal de referencia ($r(t)$): Es el valor deseado o "setpoint" que queremos que alcance la variable controlada.
• Error ($e(t)$): Es la diferencia entre la señal de referencia y el valor real de la salida. $e(t) = r(t) - y(t)$
• Perturbaciones: Son señales externas no deseadas que afectan negativamente al sistema, alejando la variable controlada del valor de referencia.

Existen dos configuraciones fundamentales según cómo se gestione la información de salida:

1. Sistemas de lazo abierto: La señal de salida no tiene efecto sobre la acción de control. El sistema no "sabe" si ha cumplido su objetivo.
   • Ejemplo: Un temporizador de tostadora. Tuesta el pan durante un tiempo fijo, sin importar si el pan ya está quemado o sigue frío.
   • Ventaja: Simplicidad y bajo coste.
2. Sistemas de lazo cerrado (realimentados): La señal de salida se mide y se compara continuamente con la referencia. El error se utiliza para corregir la acción del sistema.
   • Ejemplo: Un climatizador de coche. Mide la temperatura interior y ajusta la potencia del aire hasta alcanzar los grados seleccionados.
   • Ventaja: Mayor precisión y capacidad para compensar perturbaciones.

Para analizar sistemas complejos, utilizamos diagramas de bloques, donde cada bloque representa una función matemática denominada función de transferencia $G(s)$. Esta función relaciona la salida $Y(s)$ con la entrada $U(s)$ en el dominio de Laplace:

$G(s) = \frac{Y(s)}{U(s)}$

La respuesta temporal de un sistema nos indica cómo evoluciona la salida tras un cambio en la entrada. Un sistema ideal debe ser estable, rápido y preciso (mínimo error en régimen permanente). La simplificación de sistemas complejos permite reducir múltiples bloques en una sola función equivalente para facilitar el cálculo de su comportamiento.

Los sensores son los "sentidos" del sistema. Un transductor es el dispositivo que convierte una magnitud física (luz, calor, presión) en una señal eléctrica (tensión o corriente).

• Analógicos: Proporcionan una señal continua (ej. un termistor NTC para temperatura).
• Digitales: Proporcionan señales discretas o estados binarios (ej. un final de carrera).
• Parámetros clave:
  • Sensibilidad: Relación entre la variación de la salida y la entrada.
  • Rango: Valores máximos y mínimos que puede medir.
  • Precisión: Capacidad de proporcionar lecturas cercanas al valor real.

Son los encargados de ejecutar la acción física.

• Motores de CC: Ideales para control de velocidad variable.
• Servomotores: Permiten un control preciso de la posición angular (típicamente 0-180º) mediante retroalimentación interna.
• Motores paso a paso: Mueven el eje en incrementos discretos (pasos), muy usados en impresoras 3D.
• Sistemas neumáticos/hidráulicos: Utilizan aire o aceite a presión para generar grandes fuerzas lineales.

El controlador es el "cerebro" que procesa la información de los sensores y decide qué órdenes enviar a los actuadores.

• Microcontroladores: Circuitos integrados programables (como Arduino o ESP32) que contienen CPU, memoria y puertos I/O.
• Interfaces de potencia: Circuitos (como puentes en H o relés) necesarios porque el controlador no puede suministrar la corriente suficiente para mover un motor directamente.

Es el método más sencillo. El actuador solo tiene dos estados: encendido o apagado. Para evitar que el sistema conmute constantemente (desgaste mecánico), se introduce la histéresis o banda muerta. Por ejemplo, si queremos 20ºC, el radiador se enciende a los 19ºC y se apaga a los 21ºC. Esto provoca oscilaciones constantes alrededor del valor deseado.

Es el algoritmo más utilizado en la industria para lograr estabilidad y precisión. Se compone de tres acciones:

1. Acción Proporcional (P): La corrección es proporcional al error actual. $K_p \cdot e(t)$.
2. Acción Integral (I): Elimina el error en régimen permanente sumando los errores pasados. $K_i \int e(t) dt$.
3. Acción Derivativa (D): Prevé el error futuro basándose en la velocidad de cambio. Aporta estabilidad y anticipación. $K_d \frac{de(t)}{dt}$.

A diferencia del control analógico, el digital trabaja con muestreo. La señal continua se mide a intervalos de tiempo discretos ($T_s$).

• Lógica cableada: Basada en relés y puertas lógicas físicas (rígida).
• Lógica programada: Basada en software ejecutado en PLCs o sistemas embebidos (flexible y reconfigurable).

Un robot industrial es una cadena cinemática formada por eslabones rígidos unidos por articulaciones (rotativas o prismáticas).

• Grados de Libertad (GDL): Número de movimientos independientes que puede realizar. Un brazo básico suele tener 6 GDL para posicionar y orientar su extremo en el espacio.
• Configuraciones comunes:
  • Cartesiana: Movimientos en ejes X-Y-Z (prismáticos).
  • SCARA: Dos articulaciones rotativas paralelas para movimientos rápidos en un plano horizontal.

Transmiten el movimiento de los motores a las articulaciones.

• Reductores: Disminuyen la velocidad del motor para aumentar el par motor (fuerza de giro).
• Correas y husillos: Convierten el movimiento circular en lineal con alta precisión. El mantenimiento es crítico para evitar el "backlash" o juego mecánico.

Es el dispositivo al final del brazo robótico que interactúa con el entorno.

La programación puede ser:

1. Por guiado: El operario mueve físicamente el robot y este memoriza los puntos (enseñanza).
2. Textual: Uso de lenguajes específicos (como RAPID de ABB o AS de Kawasaki) donde se definen coordenadas, velocidades y lógica de control mediante código.

Antes de mover un robot real, se utilizan simuladores 3D. Esto permite:

• Detección de colisiones: Evitar accidentes costosos.
• Gemelos Digitales (Digital Twins): Réplicas virtuales exactas que permiten predecir fallos y optimizar ciclos de producción sin detener la fábrica.

La seguridad es primordial. Se utilizan vallados de seguridad o escáneres láser para detener el robot si alguien entra en su zona.

• Cobots (Robots colaborativos): Diseñados con sensores de fuerza y formas redondeadas para trabajar codo con codo con humanos sin barreras físicas.
• Ética: La automatización plantea retos sobre el desplazamiento laboral. Es fundamental que la robótica se desarrolle bajo normativas que prioricen la seguridad humana y la sostenibilidad socioeconómica.