Controlador de bucle abierto

En teoría del control, un controlador de bucle abierto, también llamado controlador sin retroalimentación, es un bucle de control que forma parte de un sistema de control en el que la acción de control ("entrada" al sistema) es independiente de la "salida del proceso", que es la variable del proceso que se está controlando. No utiliza retroalimentación para determinar si su salida ha logrado el objetivo deseado del comando de entrada o punto de ajuste del proceso.

Hay muchos controles de bucle abierto, como el encendido/apagado de válvulas, maquinaria, luces, motores o calentadores, donde se sabe que el resultado del control es aproximadamente suficiente en condiciones normales sin necesidad de retroalimentación. La ventaja de utilizar el control de bucle abierto en estos casos es la reducción del número y la complejidad de los componentes. Sin embargo, un sistema de circuito abierto no puede corregir ningún error que cometa ni corregir perturbaciones externas, y no puede participar en el aprendizaje automático, a diferencia de un sistema de control de circuito cerrado.

Lazo abierto y bucle cerrado

Fundamentalmente, hay dos tipos de circuito de control: control abierto de bucle (Fedforward), y control de cierre cerrado (feedback).

En el control de apertura, la acción de control del controlador es independiente de la "proceso de salida" (o "variable de proceso controlado"). Un buen ejemplo de esto es una caldera central de calefacción controlada sólo por un temporizador, por lo que el calor se aplica por un tiempo constante, independientemente de la temperatura del edificio. La acción de control es el encendido / apagado de la caldera, pero la variable controlada debe ser la temperatura del edificio, pero no es porque esto es el control abierto de la caldera, que no da control de la temperatura de cierre cerrado.

En el control de bucle cerrado, la acción de control del controlador depende de la salida del proceso. En el caso de la analogía de la caldera, esto incluiría un termostato para monitorear la temperatura del edificio, y así alimentar una señal para asegurar que el controlador mantenga el edificio a la temperatura establecida en el termostato. Un controlador de bucle cerrado por lo tanto tiene un bucle de retroalimentación que asegura que el controlador ejerce una acción de control para dar una salida de proceso igual que la "introducción de referencia" o "punto de inicio". Por esta razón, los controladores de bucle cerrados también se llaman controladores de retroalimentación.

La definición de un sistema de control de bucle cerrado según la Institución Estándar Británica es "un sistema de control que posee retroalimentación de monitoreo, la señal de desviación formada como resultado de esta retroalimentación que se utiliza para controlar la acción de un elemento de control final de tal manera que tiende a reducir la desviación a cero".

Del mismo modo: "A Sistema de control de retroalimentación es un sistema que tiende a mantener una relación prescrita de un sistema variable a otro comparando funciones de estas variables y utilizando la diferencia como medio de control".

Aplicaciones

Un controlador de bucle abierto se utiliza a menudo en procesos simples debido a su simplicidad y bajo costo, especialmente en sistemas donde la retroalimentación no es crítica. Un ejemplo típico sería una secadora de ropa doméstica de modelo antiguo, cuyo tiempo depende enteramente del juicio del operador humano, sin retroalimentación automática del secado de la ropa.

Por ejemplo, un sistema de riego por aspersión, programado para encenderse en momentos determinados, podría ser un ejemplo de un sistema de circuito abierto si no mide la humedad del suelo como forma de retroalimentación. Incluso si llueve a cántaros sobre el césped, el sistema de aspersores se activaría a tiempo, desperdiciando agua.

Otro ejemplo es un motor paso a paso utilizado para el control de posición. Enviarle una corriente de pulsos eléctricos hace que gire exactamente esa misma cantidad de pasos, de ahí el nombre. Si siempre se supusiera que el motor realiza cada movimiento correctamente, sin retroalimentación posicional, sería un control de bucle abierto. Sin embargo, si hay un codificador de posición o sensores para indicar las posiciones inicial o final, entonces se trata de un control de circuito cerrado, como en muchas impresoras de inyección de tinta. El inconveniente del control de bucle abierto de los motores paso a paso es que si la carga de la máquina es demasiado alta o el motor intenta moverse demasiado rápido, es posible que se salten pasos. El controlador no tiene medios para detectar esto, por lo que la máquina continúa funcionando ligeramente desajustada hasta que se reinicia. Por esta razón, los robots y máquinas herramienta más complejos utilizan servomotores en lugar de motores paso a paso, que incorporan codificadores y controladores de circuito cerrado.

Sin embargo, el control de bucle abierto es muy útil y económico para sistemas bien definidos donde la relación entre la entrada y el estado resultante se puede modelar de manera confiable mediante una fórmula matemática. Por ejemplo, determinar el voltaje que se alimentará a un motor eléctrico que impulsa una carga constante, para lograr la velocidad deseada, sería una buena aplicación. Pero si la carga no fuera predecible y se volviera excesiva, la velocidad del motor podría variar en función de la carga, no sólo del voltaje, y un controlador de bucle abierto sería insuficiente para garantizar un control repetible de la velocidad.

Un ejemplo de esto es un sistema transportador que debe viajar a una velocidad constante. Para un voltaje constante, el transportador se moverá a una velocidad diferente dependiendo de la carga en el motor (representada aquí por el peso de los objetos en el transportador). Para que el transportador funcione a una velocidad constante, el voltaje del motor debe ajustarse según la carga. En este caso sería necesario un sistema de control de circuito cerrado.

Por lo tanto, existen muchos controles de bucle abierto, como encender y apagar válvulas, luces, motores o calentadores, donde se sabe que el resultado es aproximadamente suficiente sin necesidad de retroalimentación.

Combinación con control de retroalimentación

Un sistema de control de retroalimentación, como un controlador PID, se puede mejorar combinando la retroalimentación (o control de bucle cerrado) de un controlador PID con el control de retroalimentación (o bucle abierto). El conocimiento sobre el sistema (como la aceleración e inercia deseadas) se puede transmitir y combinar con la salida PID para mejorar el rendimiento general del sistema. El valor de avance por sí solo a menudo puede proporcionar la mayor parte de la salida del controlador. El controlador PID tiene que compensar principalmente cualquier diferencia o error que quede entre el punto de ajuste (SP) y la respuesta del sistema al control de bucle abierto. Dado que la salida de retroalimentación no se ve afectada por la retroalimentación del proceso, nunca puede causar que el sistema de control oscile, mejorando así la respuesta del sistema sin afectar la estabilidad. La alimentación anticipada puede basarse en el punto de ajuste y en perturbaciones medidas adicionales. La ponderación del punto de ajuste es una forma simple de avance.

Por ejemplo, en la mayoría de los sistemas de control de movimiento, para acelerar una carga mecánica bajo control, se requiere más fuerza del actuador. Si se utiliza un controlador PID de bucle de velocidad para controlar la velocidad de la carga y controlar la fuerza que aplica el actuador, entonces es beneficioso tomar la aceleración instantánea deseada, escalar ese valor adecuadamente y agregarlo a la salida del PID. Controlador de bucle de velocidad. Esto significa que cada vez que se acelera o desacelera la carga, el actuador ordena una cantidad proporcional de fuerza independientemente del valor de retroalimentación. El bucle PID en esta situación utiliza la información de retroalimentación para cambiar la salida combinada y reducir la diferencia restante entre el punto de ajuste del proceso y el valor de retroalimentación. Trabajando juntos, el controlador de alimentación anticipada de bucle abierto combinado y el controlador PID de bucle cerrado pueden proporcionar un sistema de control con mayor capacidad de respuesta en algunas situaciones.