Oímos el término “control en bucle cerrado” todo el tiempo, especialmente en automatización, control de movimiento y servosistemas. Pero, ¿qué significa realmente? Y lo que es más importante... ¿por qué los ingenieros se preocupan tanto de si un sistema es de bucle abierto o de bucle cerrado?
En esencia, el control en bucle cerrado es una idea sencilla: medir lo que ocurre, compararlo con lo que se desea y corregir automáticamente la entrada para mantener el valor de consigna deseado.
Ese paso de retroalimentación es lo que convierte un proceso de “fijarlo y esperar” en algo que puede mantener un objetivo incluso cuando la vida real se interpone en el camino: cargas cambiantes, desviación de la temperatura, fricción, desgaste, caída de tensión o cambios en el flujo de aire.
Si alguna vez ha observado cómo un termostato “caza” una temperatura o cómo un servoeje se sitúa con precisión en una coordenada, habrá visto cómo el control en bucle cerrado hace lo que mejor sabe hacer: corregir la realidad hasta que coincide con el objetivo.
En este artículo, explicaremos el control en bucle cerrado en términos sencillos: qué es, cómo funciona y en qué se diferencia del control en bucle abierto. A continuación, nos centraremos en el aspecto práctico: características de rendimiento, ajuste y aplicación real de la realimentación en bucle cerrado en sistemas industriales como los servoaccionamientos.
¿Qué es un sistema de control en bucle cerrado?
Un sistema de control en bucle cerrado es un sistema de control cuya acción depende de la salida medida a través de una vía de realimentación. Esto permite al sistema regular automáticamente una variable del proceso para que coincida con una entrada de referencia (punto de consigna).
En un bucle cerrado, un sensor o transductor mide la salida (o una función de ésta). Esa medida vuelve como una señal de realimentación, y el controlador calcula un señal de error a partir de la diferencia entre la consigna y la salida real.
A continuación, el controlador acciona el actuador para influir en la planta/proceso y reducir ese error. Dado que el bucle se corrige continuamente, el control en bucle cerrado también se denomina control de retroalimentación, y es la opción por defecto cuando la precisión, la repetibilidad y el rechazo de perturbaciones importan más que la simplicidad.
¿Por qué son importantes los sistemas de bucle cerrado?
Los sistemas de bucle cerrado son importantes porque la realimentación permite a un controlador corregir las perturbaciones y la deriva en tiempo real, manteniendo el rendimiento estable incluso cuando el entorno no lo está.
Las cargas cambian. Las temperaturas varían. Aumenta la fricción. La tensión de alimentación disminuye. Un bucle cerrado bien diseñado detecta estas desviaciones y las compensa, haciendo que la salida sea repetible y menos sensible a las condiciones externas.
Esa fiabilidad es exactamente la razón por la que el control de bucle cerrado está presente en todas partes en la automatización moderna. Los controladores digitales, ya sean microcontroladores, PLC o los procesadores de un servoaccionamiento ADVANCED Motion Controls, pueden leer varios sensores y coordinar las salidas más rápido que cualquier operario humano.
Control en bucle cerrado frente a control en bucle abierto
El control en bucle cerrado utiliza la realimentación de la salida para ajustar la acción de control. El control en bucle abierto no. Esa frase es la única diferencia, pero explica muchas cosas.
Un sistema de bucle abierto sigue un programa de órdenes independientemente de que la salida coincida o no con el objetivo. Por ejemplo, un calefactor básico puede funcionar durante “10 minutos cada hora”. Puede que funcione en un día templado, pero no se adaptará cuando la habitación esté más fría o se deje una ventana abierta. Un sistema de circuito cerrado mide la temperatura real y pone en marcha el calefactor sólo hasta que se alcanza el valor de consigna.
El riesgo industrial del bucle abierto
Al pasar de los termostatos a la maquinaria, la diferencia se vuelve crítica. En el control de movimiento en bucle abierto, el controlador asume se ha producido el movimiento ordenado. Si un eje se atasca, resbala, se estanca o pierde pasos, el programa sigue avanzando de todos modos porque no hay retroalimentación que diga “no llegamos”.”
Aquí es donde el fallo de bucle abierto se convierte en un problema de seguridad. El siguiente movimiento de la herramienta puede basarse en una posición que sólo existe en el software. Esta discrepancia puede provocar fallos en el utillaje, desportillado de piezas, rotura de utillajes y colisiones mecánicas.
El control en bucle cerrado añade sensores y esfuerzo de ajuste, pero es el camino estándar hacia la precisión y la robustez. Si la carga cambia o un eje se retrasa, la señal de realimentación muestra la desviación y el controlador la corrige, o activa un fallo antes de que se produzcan daños.
¿Cómo funciona un sistema de control en bucle cerrado?
Un sistema de bucle cerrado funciona midiendo la salida, comparándola con un valor de consigna y aplicando medidas correctoras en función del error resultante.
El “punto de reflexión” clave del bucle es el elemento de comparación, a menudo denominado unión sumadora-donde la consigna y la medida de realimentación se combinan algebraicamente.
La relación canónica es:
$$Error = Consigna - Actual$$
- Si la salida cae por debajo de la consigna, el error pasa a ser positivo y el regulador aumenta la entrada.
- Si la salida sube por encima de la consigna, el error cambia de signo y el regulador retrocede.
El resultado es la corrección de las perturbaciones. Si una perturbación aleja la salida del objetivo -como un aumento repentino de la carga de un motor-, el sensor detecta la desviación inmediatamente y el controlador compensa hasta que la salida vuelve a estar dentro de los límites.
¿Cómo se cierra el bucle de realimentación dentro de un servoaccionamiento?
En el contexto del control del movimiento, el servomotor es el paquete “cerebro + músculo”. Lee la retroalimentación, calcula el error y empuja el par hasta que el error se reduce a cero.
En ADVANCED Motion Controls, diseñamos nuestros accionamientos utilizando un Bucle anidado arquitectura. La mayoría de los servosistemas no funcionan con un solo bucle, sino que coordinan tres, cada uno centrado en una variable y una escala temporal diferentes:
- Bucle de corriente (par) (más interno, más rápido): Este bucle controla la corriente del motor para producir el par comandado. Debe ser extremadamente rápido para manejar la dinámica eléctrica de los devanados del motor.
- Bucle de velocidad (centro): Este bucle controla la velocidad. Utiliza una estimación de la velocidad (a menudo derivada de la realimentación del codificador) para ordenar el par. Si la carga aumenta y la velocidad disminuye, este bucle ordena más corriente para compensar.
- Bucle de posición (más exterior): Este bucle compara la posición ordenada con la posición medida. Genera órdenes de velocidad para eliminar el “error de seguimiento”.”
Entonces, ¿cómo “empuja más fuerte” el servoaccionamiento cuando cambia la carga? Ajusta la tensión media del motor y la corriente suministrada por la etapa de potencia, normalmente mediante conmutación PWM (modulación por ancho de pulsos).
Si el eje se ralentiza bajo carga, la realimentación muestra la caída de velocidad, el error aumenta y el accionamiento responde ordenando más corriente (más par) hasta que se recupera la velocidad objetivo. Esta robustez es la principal ventaja del servocontrol frente a los sistemas paso a paso o de bucle abierto.
¿Qué es el control de doble bucle?
Los servosistemas estándar utilizan un único dispositivo de realimentación (normalmente en el motor) para los tres bucles. Sin embargo, en aplicaciones de alta precisión, Control de doble bucle ofrece una ventaja significativa.
Dual Loop Control utiliza dos puntos de medición para controlar un eje:
- A Codificador del motor para el bucle de velocidad (estabilidad).
- A Báscula lineal montada sobre carga para el bucle de posición (precisión).
¿Por qué dividirlo?
Porque el motor y la carga no son siempre lo mismo. Las correas se estiran, los acoplamientos se retuercen y los engranajes tienen holgura. Un codificador de motor puede indicar una rotación perfecta mientras que la carga se está quedando atrás debido a la conformidad mecánica.
Con el control de doble bucle, el bucle de velocidad interior se mantiene ajustado y suave utilizando la realimentación del motor, mientras que el bucle de posición exterior se cierra en la escala lineal. Esto asegura que el controlador sigue conduciendo hasta que el carga real alcanza el objetivo, no sólo el eje del motor.
Ajuste de un sistema de bucle cerrado
La sintonización es el proceso de selección de los parámetros del controlador (como las ganancias P, I y D) para que el bucle cumpla los objetivos de rendimiento sin volverse inestable.
- Definir objetivos: Especifique las tolerancias para el error de estado estacionario, el sobreimpulso y el tiempo de estabilización.
- Identifique la planta: Entender lo que se está controlando (inercia, fricción, resonancia).
- Ajustar las ganancias iniciales: Empiece de forma conservadora. Las ganancias altas reducen el error pero aumentan el riesgo de oscilación.
- Validar: Pruebe con las peores cargas y perturbaciones. Un bucle que es estable en el aire puede oscilar cuando se acopla a una carga pesada.
El mayor riesgo de ingeniería en el control de bucle cerrado es inestabilidad. Demasiada ganancia o demasiado retardo (latencia) pueden provocar la autooscilación del sistema. Un ajuste adecuado encuentra la zona “Ricitos de oro”, lo bastante rígida para rechazar las perturbaciones, pero lo bastante amortiguada para permanecer estable.
Conclusión:
El control en bucle cerrado es fundamentalmente sencillo: medir la salida, calcular el error y corregir la entrada. Sin embargo, esta idea permite la automatización de precisión de la que dependemos hoy en día, desde los sistemas térmicos hasta la robótica multieje.
Aunque conlleva una mayor complejidad en los sensores y el ajuste, las ventajas de precisión, repetibilidad y rechazo de perturbaciones lo hacen indispensable. Tanto si está ajustando un bucle PID como poniendo en marcha un servosistema multieje, el principio sigue siendo el mismo: confíe en la realimentación, pero respete la física.
