Servomecanismos FÍS.

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Física

Generalidades. Son sistemas de control por realimentación en los cuales la variable controlada es una posición mecánica. Ésta es la definición recomendada por el Feedback Control Commitee of the American Institute of Electrical Engineers. Posteriormente el concepto se ha generalizado, por lo que hoy se identifica s. con servosistema, esto es, con todo sistema encargado de transmitir una orden o información de un punto a otro, comparando los resultados obtenidos en el extremo receptor con los que se deseaba obtener y deduciendo de esta comparación una señal correctora que introducida automáticamente en el sistema modifique los resultados para conseguir el valor deseado. Entonces la variable controlada ya no tiene por qué ser una posición mecánica, pudiendo tratarse de cualquier otra magnitud física.

Un ejemplo aclaratorio puede ser el siguiente: un conductor circula por una carretera conduciendo su coche y transmitiendo a las ruedas mediante sus músculos y los mecanismos de dirección la información (dirección a seguir). Simultáneamente su mente compara los resultados que obtiene (dirección real que sigue el coche) con los que quisiera obtener (dirección ideal). De esta comparación surge una señal correctora que, actuando sobre sus músculos y éstos a su vez sobre el volante, corrige la dirección siempre que no coincida la real con la ideal. Como no acciona el volante mientras no exista desviación de la dirección ideal, en este caso la señal correctora coincide con el error cometido. En realidad, este ejemplo no es propiamente un s. por no aplicarse este concepto a aquellos casos en que interviene el hombre sino sólo a los sistemas de control automático con realimentación en que no existe tal intervención (V. AUTOMÁTICA).

Partes de un servomecanismo. Son las siguientes (fig. 1) a) Comparador: Recibe la señal de entrada y una medida de la señal de salida, comparando ambas para obtener una orden correctora. b) Elementos de control: Son los encargados de transformar e incluso amplificar la orden correctora para disponerla en condiciones de actuar sobre la parte siguiente. c) Sistema controlado: Recibe la orden correctora previamente preparada para ponerse en acción y llevar la señal de salida o variable controlada al valor prescrito. d) Elementos de medida de la señal de salida. Toman la señal de salida, o más generalmente una parte de ella, y la transforman haciendo posible su comparación con la de entrada. Constituyen, por tanto, la realimentación del sistema. Cuando las señales de entrada y salida son directamente comparables, el s. puede carecer de esta parte.

Aparte de las señales de entrada y salida existen con frecuencia otras señales incontrolables y perturbadoras que pueden entrar en el sistema y que es preciso considerar para tomar precauciones que permitan eliminar o contrarrestar su efecto. En la fig. 1 se representa el esquema general de un s. La notación es universal, representándose las partes por rectángulos, excepto el comparandr, que se representa por un círculo cruzado por un aspa. Las flechas indican la dirección de circulación de la energía. En dicha figura se pueden distinguir las dos partes siguientes: 1) Cadena de acción: S, a-b-c-S,. Es la cadena energética, cuya misión es transmitir la orden, llevando aparejada una amplificación de energía. 2) Cadena de reacción: S,d-a. Es la cadena de realimentación que lleva consigo la precisión del sistema.

Si falta la cadena de reacción, el conjunto restante recibe el nombre de sistema abierto, que ya no es propiamente un s., pero es preciso su estudio por influir su comportamiento en el del sistema cerrado o s. propiamente dicho. Es de importancia señalar que el esquema representado es funcional y no físico, por lo que en ocasiones puede suceder que algún elemento del s. se encuentre en más de una parte del esquema funcional indicado. Tal ocurre en los ejemplos que citamos en la parte final del artículo.

Cuando la señal de entrada es constante y las variaciones de la señal de salida se producen por alteraciones de la carga, el sistema recibe el nombre de sistema de regulación o regulador. Se llama error de un s. a la diferencia entre el valor prescrito de la señal de salida o variable controlada y su valor real en un instante dado.

Funcionamiento de un servomecanismo. Las propiedades esenciales que debe reunir un s. en su funcionamiento son: sensibilidad a la excitación, precisión y estabilidad. El funcionamiento puede realizarse en régimen permanente y en régimen transitorio, pues el sistema controlado siempre es de tipo dinámico. Si la carga es mecánica, la variable controlada será una posición, una velocidad o una aceleración. Si no es mecánica, la variable será de otro tipo, pero a los efectos de estudio siempre se podrá reducir a uno de los anteriores. El comportamiento se medirá en función de la precisión lograda. En régimen transitorio, un funcionamiento incorrecto del sistema lleva consigo que nunca se llegue al régimen permanente, quedando el sistema en condiciones de inestabilidad.

El régimen transitorio puede definirse como el paso de un régimen permanente a otro diferente. Este paso queda determinado si se conocen las tres variables siguientes: velocidad de respuesta o tiempo de tránsito, valor máximo de la oscilación transitoria y frecuencia de dicha oscilación.

En el diseño de un s. o bien en el análisis del funcionamiento de uno ya existente es esencial considerar los tres aspectos siguientes: estabilidad, comportamiento en régimen permanente y comportamiento en régimen transitorio.

Componentes de un servosistema. En el esquema general de la fig. 1 se indicaron los cuatro bloques constituyentes de todo s. Cada uno de ellos puede estar formado por uno o varios elementos que en conjunto realicen la función correspondiente. Estos componentes pueden ser eléctricos, mecánicos, electromecánicos, hidráulicos y neumáticos, clasificación que se basa en los conceptos físicos esenciales que rigen su funcionamiento; pero atendiendo a su misión en el diagrama-bloque, los componentes de un s. pueden clasificarse en detectores de error, amplificadores y generadores y motores.

1) Detectores de error. Son los elementos que constituyen el comparador. . Su misión es obtener la señal correctora a partir de la comparación entre las señales de entrada y salida. Los dispositivos que se utilizan con tal fin pueden ser: máquinas síncronas, potenciónietros, células fotoeléctricas, circuitos electrónicos, termómetros, manómetros, etc.

2) Amplificadores (v.). Forman los elementos de control, destinados a elevar el nivel de la señal correctora y modificarla de forma que resulte una nueva señal de magnitud física y nivel adecuados para gobernar el sistema controlado. Con tal fin se utilizan elementos mecánicos (mecánicos puros, neumáticos o hidráulicos) y eléctricos (electrónicos, magnéticos y dinámicos).

3) Generadores y motores. Pueden formar parte de los elementos de control o del sistema controlado. Son, en definitiva, los que gobiernan la señal de salida. Pueden ser eléctricos y mecánicos (hidráulicos, neumáticos, etc.). Lo más frecuente es utilizar motores de excitación constante gobernados por la corriente que recorre la armadura o bien de excitación variable que reciben en sus inductores la señal procedente del amplificador (v. GENERADORES Y MOTORES I).

Máquinas síncronas. Son un grupo de componentes esenciales de los s., cuyo funcionamiento está basado en las máquinas dinamoeléctricas de corriente alterna. Son de cinco tipos fundamentales: sincrogenerador, sincromotor, sincromotor diferencial, sincrogenerador diferencial y sincrotransformador. Estos elementos funcionan normalmente agrupados entre sí. Así, p. ej., la combinación sincrogenerador-sincromotor constituye un auténtico eje flexible, pues permite transmitir una posición angular desde un punto (eje del generador) a otro distante (eje del motor), transformando la posición angular en un voltaje, transmitiendo éste y reproduciendo la posición mediante el motor.

Ejemplos. 1) Generador regulador de voltaje (fig. 2). Se trata de un circuito previsto para mantener constanteel voltaje a la salida de un generador de corriente continua dentro de variaciones grandes de la carga. V, será una tensión de referencia determinada por el cursor del potenciómetro que va asociado a una batería. La señal de entrada del s. será V,; V, es una fracción de la tensión de salida V,? obtenida mediante otro potenciómetro. La corriente de excitación se produce con la diferencia V,-V,. Si por cualquier causa varía V,, variará de la misma forma V, y en consecuencia V,-V, y la corriente de excitación que produce una variación en sentido contrario de V., para conseguir el valor deseado.

2) Copiador hidráulico (fig. 3). Es un mecanismo que se asocia a una máquina-herramienta para conseguir la reproducción de un perfil dado. Su funcionamiento es el siguiente: al seguir la aguja el contorno del perfil dado con el palpador que lleva en su extremo, se desplaza cerrando el paso de aire y haciendo bajar la presión del mismo en el fuelle, cuya acción es entonces vencida por el resorte, lo cual origina un desplazamiento a la izquierda de los pistones de la válvula hidráulica. El pistón de la derecha abre entonces los orificios que tapaba, entrando en el cuerpo derecho de la bomba aceite a presión normal. El pistón izquierdo, por su parte, abre el orificio superior pero no así el inferior por estar desplazado y ser de diámetro menor, con lo que se produce la entrada en el cuerpo izquierdo de la bomba de aceite a gran presión procedente de la válvula. Al estar el aceite a diferente presión a los dos lados del émbolo del cuerpo de bomba,. éste se desplaza a la derecha, haciendo que la máquina herramienta reproduzca el movimiento del palpador. En las fig. 2 y 3 se indican con la nomenclatura habitual las partes del s. que constituyen cada elemento de los mecanismos indicados.

J. CLEMENTE PUEYOS. , FERNÁNDEZ DEL AMO.

BIBL.: V. BROIDA, Automatización, regulación automática, servomecanismos, Buenos Aires 1965; M. DE LEO, Servomecanismi. Teoria e applicazioni, Milán 1962; DAVIs-LEDGERWOOD, E,lectromechanical components lor servomechanisms, Nueva York 1961; W. R. AHRENDT, La pratique des servomécanismes, París 1959; E. R. JOHNSON, Servomechanisms, Englewood Cliffs (N. J.) 1963.