30 • SISTEMAS DE CONTROL MODERNO

(Son aplicaciones directas de los conceptos del capítulo.) Los siguientes sistemas se pueden describir mediante un dia- grama de bloques que muestra la relación causa-efecto y la realimentación (si está presente). Identificar las funciones de cada bloque y la variable de entrada deseada, la variable de salida y la variable medida. Donde resulte apropiado, utilícese la Figura 1.9 como modelo.

E1<1< Una fuente precisa de señales ópticas puede controlar el nivel de potencia de salida dentro de un margen del l% [32]. Un

rayo láser se controla mediante una entrada de corriente que produce la salida de potencia. Un microprocesador controla la corriente de entrada al láser. El microprocesador compara el nivel de potencia deseado con una señal medida proporcional a la salida de potencia del láser, que se obtiene de un sensor. Complétese el diagrama de bloques que representa este sistema de control de lazo cerrado que se muestra en la Figura El.I, identificando las variables de salida, entrada y medida y el dispositivo de control.

E1J. El conductor de un automóvil emplea un sistema de control para mantener la velocidad del vehículo a un nivel determinado. Dibújese un diagrama de bloques que ilustre este sistema de realimentación.

E1.3. La pesca con mosca es un deporte en el que requiere que la persona lanza una pequeña mosca de plomo utilizando una barra ligera y una cuerda. El objetivo es colocar la mosca de forma precisa y ligera sobre la superficie distante de un río [65]. Descríbase e! proceso de lanzar la mosca y un modelo de este proceso.

E1.4. Una cámara con autofoco ajustará la distancia de la lente desde la película utilizando un haz de infrarrojos o de ultrasonidos para determinar la distancia al objeto [45]. Dibújese un diagrama de bloques de este sistema de control en lazo abierto y expliqúese brevemente su operación.

E1.5. Como un velero no puede navegar directamente siguiendo la dirección del viento y si lo hace en contra del viento es normalmente lento, la distancia de navegación más corta no suele ser la línea recta. Así pues, los veleros cambian de bordada en la dirección del viento —el familiar rumbo en zigzag— y cambian la escota de una vela cuando van contra el viento. Una decisión táctica de cuándo cambiar de virada y hacia dónde ir puede determinar el resultado de una carrera. Describir el proceso del cambio de virada de un velero cuando el viento modifica su dirección. Represéntese en un diagrama de bloques este proceso.

U.S. Las autopistas automatizadas pueden ser predominantes en la próxima década. Considérense dos autopistas automatizadas cuyos carriles se funden en un único carril y descríbase un sistema de control que asegure que los vehículos se van solapando con un espacio prefijado entre dos vehículos.

E1.7. Descríbase el diagrama de bloques del sistema de control de velocidad de una moto con un conductor humano.

E1.8. Descríbase el proceso de biorrealimentación utilizado por los seres humanos para regular factores tales como dolores o la temperatura del cuerpo humano. La biorrealimentación es una técnica mediante la cual un ser humano puede, con algún éxito, regular de forma consciente el pulso, la reacción al dolor y la temperatura corporal.

E1.9. Los aviones comerciales avanzados del futuro serán E-

activados. Esto permitirá al avión tomar ventaja de las mejoras continuas en la potencia de los computadores y en el crecimiento de las redes. Los aviones pueden comunicar de forma continua su posición, velocidad y parámetros de salud crítica a los controladores de tierra y reunir y transmitir datos meteorológicos locales. Represéntese un diagrama de bloques que muestre cómo los datos meteorológicos de múltiples aviones se pueden transmitir a tierra, combinados mediante potentes redes de computadores con su base en tierra para crear un conocimiento preciso del tiempo en la zona y a continuación volver a transmitirlo al avión para seguir una ruta óptima.

E1.10. Se están desarrollando vehículos aéreos no tripulados (UAV) para operar en el aire autónomamente por largos periodos de tiempo (véase la Sección 1.5). Por autónomo, se quiere expresar que no hay interacción con controladores humanos en tierra. Represéntese un diagrama de bloques de un UAV autónomo cuya tarea es supervisar la cosecha utilizando fotografía aérea. El UAV debe fotografiar y transmitir en vuelo la superficie de tierra completa siguiendo una trayectoria preespecificada de forma tan precisa como sea posible.

i(t)

medida

INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL • 31

(Los problemas requieren extender los conceptos de este capítulo a nuevas situaciones.)

Los sistemas siguientes se pueden describir mediante un diagrama de bloques que muestran la relación causa-efecto y la realimentación (si está presente). Cada bloque debería describir su función. Donde resulte apropiado utilícese la Figura 1.9 como modelo.

P1.1. Muchos automóviles de lujo tienen sistemas de acon- dicionamiento de aire controlados termostáticamente para el confort de los pasajeros. Represéntese un diagrama de bloques de un sistema de acondicionamiento de aire donde el conductor fija en el panel de instrumentación la temperatura interior deseada. Identíquese la función de cada elemento del sistema de enfriamiento controlado termostáticamente.

P1.2. En el pasado, los sistemas de control utilizaban un operador humano como parte de un sistema de control de lazo cerrado. Dibújese el diagrama de bloques del sistema de control de la válvula que se muestra en la Figura PI.2.

P1.3. En un sistema de control de un proceso químico es importante controlar la composición química del producto.

Caudal de fluido

FIGURA P1.2. Control de caudal de un fluido.

Para controlar la composición, puede obtenerse una medición de ésta usando un analizador de infrarrojos del flujo, tal como se muestra en la Figura Pl.3. Puede controlarse la válvula del flujo de aditivo. Complétese el lazo del control con realimentación y dibújese un diagrama de bloques que describa la operación del lazo de control.

FIGURA P1.3

Control de composición química.

P1.4. El control preciso de un reactor nuclear es importante para los sistemas de generación de potencia. Suponiendo que el número de neutrones presente es proporcional al nivel de potencia, se usa una

cámara de ionización para medir dicho nivel. La corriente, i0, es

proporcional al nivel de potencia. La posición de las barras de control de grafito modera este nivel. Complétese el sistema de control del reactor nuclear que se muestra en la Figura Pl.4 y dibújese el diagrama de bloques que describe la operación del lazo de control con realimentación.

Barra (le control

Cámara de ionización

-Mi o

P1.5. En la Figura P1.5 se muestra un sistema de control mediante una luz que se emplea para rastrear el sol. El eje de salida accionado por el motor mediante un engranaje de re- ducción, tiene unida una ménsula sobre la cual se montan

dos fotocélulas. Complétese el sistema de lazo cerrado de forma que dicho sistema siga la fuente luminosa.

PRCELEA

Válvula

Aditivo

Salida

FIGURA P1.4. Control de un reactor nuclear.

FIGURA P1.5. Una fotocélula semonta en cada tubo. La luz que alcanza cada célula es la misma en ambas sólo cuando la fuente de luz, tal como se muestra, se encuentra exactamente en la mitad.

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