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Principios de

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Principios de controlaplicados a la medicina

Gua de trabajo 01

Universidad Santiago de CaliFacultad de ingenieraProf: Ing. Edwin J. Ortega Z.Colombia 2012


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Principios de Control Aplicados a la medicinaIng. Edwin J. Ortega

Universidad Santiago de CaliEMPC01

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Definicin de sistema

Un sistema es un conjunto de partes oelementos organizadas y relacionadas queinteractan entre s para lograr un objetivo.Los sistemas reciben (entrada) datos,energa o materia del ambiente y proveen(salida) informacin, energa o materia.Un sistema puede ser fsico o concreto(una computadora, un televisor, unhumano) o puede ser abstracto oconceptual (un software)

Cada sistema existe dentro de otro ms grande, por lo tanto un sistema puedeestar formado por subsistemas y partes, y a la vez puede ser parte de unsupersistema.

Los sistemas tienen lmites o fronteras, que los diferencian del ambiente. Eselmite puede ser fsico (el gabinete de una computadora) o conceptual. Si hayalgn intercambio entre el sistema y el ambiente a travs de ese lmite, el sistemaes abierto, de lo contrario, el sistema es cerrado.

El ambiente es el medio en externo que envuelve fsica o conceptualmente a unsistema. El sistema tiene interaccin con el ambiente, del cual recibe entradas y alcual se le devuelven salidas. El ambiente tambin puede ser una amenaza para elsistema.

Fundamentacin de sistemas de control

Los sistemas de control estn formados por un conjunto de dispositivos de diversanaturaleza (mecnicos, elctricos, electrnicos, neumticos, hidrulicos) cuyafinalidad es controlar el funcionamiento de una mquina o de un proceso.En todo sistema de control podemos considerar una seal de entrada que actasobre el mismo y una seal de salida proporcionada por el sistema, segn elsiguiente esquema:


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Pensemos, por ejemplo, en unsistema de control destinado averificar la temperatura en unahabitacin: la temperatura es lamagnitud variable que queremoscontrolar y para regularla hayque aplicar una seal de entradaal sistema de calefaccin; comoresultado se alcanza undeterminado valor en latemperatura de la habitacin queconstituye la seal de salida delsistema.

Teora de control. 1

Desde el punto de vista de la teora de control, un sistema o proceso est formadopor un conjunto de elementos relacionados entre s que ofrecen seales de salidaen funcin de seales o datosde entrada.

Es importante resaltar el hechode que no es necesario conocerel funcionamiento interno, ocmo actan entre s losdiversos elementos, paracaracterizar el sistema. Paraello, slo se precisa conocer larelacin que existe entre laentrada y la salida del procesoque realiza el mismo (principiode caja negra).

El aspecto ms importante deun sistema es el conocimiento de su dinmica, es decir, cmo se comporta la

seal de salida frente a una variacin de la seal de entrada. Un conocimientopreciso de la relacin entrada/salida permite predecir la respuesta del sistema yseleccionar la accin de control adecuada para mejorarla. De esta manera, eldiseador, conociendo cul es la dinmica deseada, ajustar la accin de controlpara conseguir el objetivo final.

1 GOMRIZ, Spartacus. BIEL, Domingo. MATAS, Jos. REYES Miguel. TEORA DE CONTROL DISEOELECTRNICO. Ediciones UPC, 1998


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En vista de todo lo expuesto, se puede definir un sistema de control como elconjunto de elementos que interactan para conseguir que la salida de un procesose comporte tal y como se desea, mediante una accin de control.

Representacin de un sistema

Un sistema de control puede tener varios componentes. Para mostrar lasfunciones que lleva a cabo cada componente en la ingeniera de control, por logeneral se usa una representacin denominada diagrama de bloques.Un diagrama de bloques de un sistema es una representacin grfica de lasfunciones que lleva a cabo cada componente. Tal diagrama muestra las relacionesexistentes entre los diversos componentes.

En un diagrama de bloques se enlazan una con otra todas las variables delsistema, mediante bloques funcionales. El bloque funcional o simplemente bloquees un smbolo para representar la operacin matemtica que sobre la seal deentrada hace el bloque para producir la salida.

La figura muestra un elemento del diagrama de bloques. La punta de flecha queseala el bloque indica la entrada, y la punta de flecha que se aleja del bloquerepresenta la salida. Tales flechas se conocen como seales.

Observe que las dimensiones de la seal de salida del bloque son las dimensionesde la seal de entrada multiplicadas por las dimensiones de la funcin detransferencia en el bloque.

Un diagrama de bloques contiene informacin relacionada con el comportamientodinmico, pero no incluye informacin de la construccin fsica del sistema. Enconsecuencia, muchos sistemas diferentes y no relacionados puedenrepresentarse mediante el mismo diagrama de bloques. 2

2 ROCHA. Jos Manuel. LARA Elizabeth. Ingeniera De Control. Universidad Autnoma De Nuevo Len


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Tipos de seales

Consideraremos como seales las variaciones a lo largo del tiempo de las

entradas o salidas de un sistema. Obviamente, estas seales pueden ser dedistinta naturaleza, y por tanto sus unidades fsicas pueden ser diversas. Segn

cmo sea la variacin de estas seales, podemosclasificarlas dentro de dos grandes grupos: sealesanalgicas y seales discretas.

- Seales analgicas: Son aquellas cuya variacin,tanto en amplitud como a lo largo del tiempo, escontinua. Es decir, pueden tomar cualquier valor real,en cualquier instante de tiempo.

- Seales discretas: Este tipo de seales notiene una variacin continua como lasanteriores, sino que su evolucin se rige porun determinado conjunto finito de valoresposibles. Segn dnde tome este conjunto devalores, podremos distinguir entre sealesdiscretas en amplitud o discretas en tiempo.

- Seales discretas en tiempo: Slo tienenvalor en instantes de tiempo predeterminados. Y aunque su amplitud puede sercualquier valor dentro del rango de los reales, el valor de la seal entre dosinstantes de tiempo consecutivos no est definido.

- Seales discretas en amplitud: En este caso, la seal toma valor en cualquierinstante de tiempo, pero estos valores de amplitud pueden encontrarse entre losdefinidos en el conjunto predeterminado.


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Los elementos de un sistema de control automtico

1. El sensor detecta las variaciones de la seal de salida y, a travs del bucle derealimentacin, enva esta informacin al comparador. El elemento sensor ser dedistinta naturaleza en funcin de la magnitud que se quiera controlar (sensores detemperatura, de presin, de luz, de caudal, etc.).

2. El comparador o detector de error es un dispositivo que compara la seal desalida, captada por el sensor, con la seal de entrada. A partir de la diferenciaentre ambas, el comparador produce una seal de error, y la enva al controlador.

3. El controlador o regulador interpreta el error que se ha producido y acta paraanularlo. Mientras no se detecten variaciones en la seal de salida, el controladorno realiza ninguna accin, pero si la seal de salida se aparta del valorestablecido, el controlador recibe la seal de error del comparador y manda unaorden al actuador para corregir la desviacin.

4. El actuador acta sobre la mquina o proceso modificando su funcionamiento,segn las rdenes del controlador. Cuando se detecta un error en la salida delsistema, el actuador recibe y ejecuta las rdenes para llevar el proceso alfuncionamiento adecuado.

El sensor y el comparador han de tener una respuesta rpida, de forma que eltiempo transcurrido desde que se detecta un cambio hasta que se acta enconsecuencia sea el mnimo posible.

Tipos de sistemas de control

Dependiendo del tratamiento que el sistema de control realiza con la seal de

salida, pueden distinguirse dos topologas de control generales: sistemas en lazoabierto y sistemas en lazo cerrado.

Los sistemas de control en lazo abierto

Una seal de entrada acta sobre los elementos que controlan el funcionamientode la mquina o proceso, y a la salida se obtiene la seal controlada. En este tipode sistemas de control la seal de salida no tiene efecto sobre la accin de control.


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Estos sistemas se representan mediante el siguiente esquema:

Sistema de control en lazo abierto

En nuestra vida cotidiana nos encontramos con muchos de estos sistemas decontrol. Por ejemplo, el funcionamiento de una lmpara suele estar controladomediante un interruptor: al accionar el interruptor, el circuito elctrico se cierra y lalmpara se enciende; cuando se vuelve a accionar el interruptor, el circuito se abrede nuevo y la lmpara se apaga. Se trata de un sistema de control en lazo abierto,

ya que permite controlar el funcionamiento de la lmpara a travs del interruptor,pero el estado de encendido o apagado de la lmpara (es decir, la salida delsistema) no influye en la accin de control.

Otros ejemplos son los sistemas de mando de los electrodomsticos presentes enel hogar (lavadora, horno elctrico, etc.).

Los sistemas de control en lazo cerrado

En este tipo de sistemas, las seales de salida y de entrada estn relacionadas

mediante un bucle de realimentacin, a travs del cual la seal de salida influyesobre la de entrada. De esta forma, la seal de salida tiene efecto sobre la accinde control.Estos sistemas de control se pueden representar mediante el siguiente esquema:

En estos sistemas existe un elemento, denominado captador o sensor, que escapaz de detectar los cambios que se producen en la salida y llevar esainformacin al dispositivo de control, que podr actuar en consonancia con lainformacin recibida para conseguir la seal de salida deseada.


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Por tanto, los sistemas de control en lazo cerrado son capaces de controlar encada momento lo que ocurre a la salida del sistema, y modificarlo si es necesario.

De esta manera, el sistema es capaz de funcionar por s solo de forma automticay cclica, sin necesidad de intervencin humana. Estos sistemas, capaces deautocontrolarse sin que intervenga una persona, reciben el nombre de sistemas decontrol automticos o automatismos.Un ejemplo de automatismo fcil de entender es el que controla la temperatura deuna habitacin mediante un termostato. El termostato es un dispositivo quecompara la temperatura indicada en un selector de referencia con la existente enla habitacin; en caso de que ambas no sean iguales, genera una seal que actasobre el sistema de calefaccin, hasta hacer que la temperatura de la habitacincoincida con la de referencia.

En los sistemas de fabricacin tambin se han incorporado las mquinasautomticas, que llevan a cabo trabajos de precisin y nos evitan realizar tareaspesadas. Esta nueva forma de trabajo se denomina automatizacin.As, existen mquinas que ensamblan vehculos, fabrican tarjetas de circuitoimpreso, montan cajas de embalaje, franquean y clasifican el correo, transportanmateriales de un sitio a otro de la fbrica, rellenan botellas con lquidos, preparan ycierran latas de alimentos en conserva, fabrican medicamentos y los embalan, einfinidad de ejemplos en todos los mbitos de la industria.

Actividad.

1. Selecciona 5 de los siguientes equipos biomdicos, investiga elfuncionamiento y realiza el diagrama de bloques:

a. Bomba De Infusin.

b. Marcapaso Cardiaco.

c. Electro cauterizador

d. Autoclave

e. Nebulizador Pulmonar

f. Desfibrilador Externo Automtico

g. Humidificador Por Ultrasonido

h. EKG


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2. Investiga y define con tus palabras los siguientes trminos dentro de lateora de sistemas de control.

a. Variables del sistemab. Entradac. Salidad. Perturbacine. Plantaf. Sistemag. Entrada de mandoh. Seal de referenciai. Seal activa

j. Unidad de controlk. Unidad de realimentacinl. Transductorm. Amplificador:

3. Con base en el algebra de bloques simplifique y halle la funcin detransferencia del siguiente diagrama: