En la teoría de control , un controlador de lazo abierto , también llamado controlador sin retroalimentación , es una parte del lazo de control de un sistema de control en el que la acción de control ("entrada" al sistema [1] ) es independiente de la "salida del proceso", que es la variable del proceso que se está controlando. [2] No utiliza retroalimentación para determinar si su salida ha logrado el objetivo deseado del comando de entrada o el punto de ajuste del proceso .
Existen muchos controles de lazo abierto , como el encendido y apagado de válvulas, maquinaria, luces, motores o calentadores, en los que se sabe que el resultado del control es aproximadamente suficiente en condiciones normales sin necesidad de retroalimentación. La ventaja de utilizar el control de lazo abierto en estos casos es la reducción en el número de componentes y la complejidad. Sin embargo, un sistema de lazo abierto no puede corregir los errores que comete ni corregir las perturbaciones externas, a diferencia de un sistema de control de lazo cerrado .
Básicamente, existen dos tipos de bucle de control: control de bucle abierto (feedforward) y control de bucle cerrado (feedback).
En el control de bucle abierto, la acción de control del controlador es independiente de la "salida del proceso" (o "variable de proceso controlada"). Un buen ejemplo de esto es una caldera de calefacción central controlada únicamente por un temporizador, de modo que se aplica calor durante un tiempo constante, independientemente de la temperatura del edificio. La acción de control es el encendido y apagado de la caldera, pero la variable controlada debería ser la temperatura del edificio, pero no es así porque se trata de un control de bucle abierto de la caldera, que no proporciona un control de bucle cerrado de la temperatura.
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, de ese modo, enviar una señal para garantizar que el controlador mantenga el edificio a la temperatura establecida en el termostato. Por lo tanto, un controlador de bucle cerrado tiene un bucle de retroalimentación que garantiza que el controlador ejerza una acción de control para proporcionar una salida de proceso que sea igual a la "entrada de referencia" o "punto de ajuste". Por este motivo, los controladores de bucle cerrado también se denominan controladores de retroalimentación. [3]
La definición de un sistema de control de lazo cerrado según la British Standards Institution es "un sistema de control que posee retroalimentación de monitoreo, siendo la señal de desviación formada como resultado de esta retroalimentación utilizada para controlar la acción de un elemento de control final de tal manera que tienda a reducir la desviación a cero". [4]
De igual modo, “Un sistema de control por retroalimentación es un sistema que tiende a mantener una relación prescrita de una variable del sistema con otra comparando funciones de estas variables y utilizando la diferencia como un medio de control”. [5]
Un controlador de lazo 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 , para la cual el tiempo depende completamente del criterio del operador humano, sin retroalimentación automática del grado de sequedad de la ropa.
Por ejemplo, un sistema de riego por aspersión programado para activarse a determinadas horas podría ser un ejemplo de 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 aspersión se activaría a tiempo, desperdiciando agua.
Otro ejemplo es un motor paso a paso utilizado para el control de la posición. Al enviarle un flujo de pulsos eléctricos se hace girar exactamente esa cantidad de pasos, de ahí el nombre. Si siempre se supusiera que el motor realiza cada movimiento correctamente, sin retroalimentación de posición, sería un control de bucle abierto. Sin embargo, si hay un codificador de posición o sensores para indicar las posiciones de inicio o fin, entonces se trata de un control de bucle 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 forma de detectar esto y, por lo tanto, la máquina continúa funcionando ligeramente desajustada hasta que se reinicia. Por esta razón, los robots y las máquinas herramienta más complejos utilizan servomotores en lugar de motores paso a paso, que incorporan codificadores y controladores de bucle cerrado .
Sin embargo, el control de lazo 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 debe aplicar a un motor eléctrico que impulsa una carga constante para alcanzar una 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 solo del voltaje, y un controlador de lazo abierto sería insuficiente para garantizar un control repetible de la velocidad.
Un ejemplo de esto es un sistema de transporte que debe desplazarse a una velocidad constante. Para un voltaje constante, el transportador se moverá a una velocidad diferente según la carga del motor (representada aquí por el peso de los objetos sobre el transportador). Para que el transportador funcione a una velocidad constante, el voltaje del motor debe ajustarse en función de la carga. En este caso, sería necesario un sistema de control de bucle cerrado.
Por ello, existen muchos controles de circuito abierto, como el encendido y apagado de válvulas, luces, motores o calentadores, en los que se sabe que el resultado es aproximadamente suficiente sin necesidad 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 de bucle abierto). El conocimiento sobre el sistema (como la aceleración y la inercia deseadas) se puede transmitir hacia adelante y combinar con la salida PID para mejorar el rendimiento general del sistema. El valor de retroalimentación por sí solo a menudo puede proporcionar la mayor parte de la salida del controlador. El controlador PID principalmente tiene que compensar 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 hacer que el sistema de control oscile, mejorando así la respuesta del sistema sin afectar la estabilidad. La retroalimentación hacia adelante se puede basar en el punto de ajuste y en perturbaciones medidas adicionales. La ponderación del punto de ajuste es una forma simple de retroalimentación hacia adelante.
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 ordenar la fuerza que aplica el actuador, entonces es beneficioso tomar la aceleración instantánea deseada, escalar ese valor de manera apropiada y agregarlo a la salida del controlador de bucle de velocidad PID. Esto significa que siempre que se acelera o desacelera la carga, se ordena una cantidad proporcional de fuerza desde el actuador independientemente del valor de retroalimentación. El bucle PID en esta situación utiliza la información de retroalimentación para cambiar la salida combinada para reducir la diferencia restante entre el punto de ajuste del proceso y el valor de retroalimentación. Al trabajar juntos, el controlador de avance 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.
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