Salta al contingut

Exercicis de sistemes de control — Tecnologia i Digitalització 4t ESO

Un sistema de control decideix què ha de fer una màquina a partir de la informació que rep. Aquests exercicis et fan distingir el control en llaç obert del control en llaç tancat i trobar avantatges i inconvenients de cadascun, amb exemples com una rentadora o un termòstat. Després identifiques els sensors, el controlador i els actuadors d'un sistema i expliques per què el controlador n'és el cervell. Al final treballes la programació d'un robot: què és un programa i quina diferència hi ha entre una seqüència i una estructura condicional o repetitiva. Errors típics: creure que tot sistema automàtic és de llaç tancat i confondre sensor amb actuador.

Nivell bàsic

1

Exercici 1

Quina és la diferència fonamental entre un sistema de control en llaç obert i un en llaç tancat?

Mostra la solució

La realimentació. En llaç tancat, un sensor mesura el resultat i el sistema es corregeix per acostar-se a l'objectiu. En llaç obert no hi ha aquest retorn: la màquina actua sense comprovar mai el resultat.

2

Exercici 2

Quina funció fa un sensor en un sistema de control?

Mostra la solució

Captar una magnitud del món real (temperatura, llum, distància, presència...) i convertir-la en un senyal elèctric que el controlador pugui llegir. És com el sentit del sistema: li aporta la informació de què passa a l'entorn.

3

Exercici 3

Què és un programa en el context d'un robot?

Mostra la solució

És una llista ordenada d'instruccions que el controlador del robot executa una rere l'altra per fer una tasca. Aquestes instruccions inclouen moviments, lectures de sensors i accions dels actuadors, i fan que el robot funcioni de manera autònoma.

4

Exercici 4

En un diagrama de flux, quin símbol s'utilitza per a (a) l'inici i el final, (b) una operació o acció i (c) una decisió amb dues sortides (sí/no)?

Mostra la solució

(a) Inici i final: una el·lipse (oval).
(b) Acció o procés: un rectangle.
(c) Decisió: un rombe, amb dues sortides (sí i no).
El perquè: aquests símbols normalitzats permeten que tothom entengui el diagrama d'un programa abans d'escriure'l.

5

Exercici 5

Un robot té aquesta regla: si la distància a l'obstacle és menor de 10 cm, s'atura; si no, avança. Què fa el robot quan la distància mesurada és de 25 cm? I de 8 cm?

Mostra la solució

Amb 25 cm: com que 25 no és menor de 10, avança.
Amb 8 cm: com que 8 és menor de 10, s'atura.
El perquè: és una estructura condicional (si… si no…): el robot tria una acció o una altra segons el valor de la variable distància.

6

Exercici 6

Un programa diu: repetir 5 vegades { avançar 10 cm }. Quantes vegades s'executa l'acció d'avançar? Quina distància recorre el robot en total?

Mostra la solució

L'acció s'executa 5 vegades.
Distància total = 5 × 10 cm = 50 cm.
El perquè: un bucle repeteix un bloc d'instruccions i estalvia escriure'l moltes vegades.

7

Exercici 7

En una placa Arduino, quins valors pot tenir una entrada digital? I una entrada analògica (convertidor de 10 bits)?

Mostra la solució

Una entrada digital té només dos valors: HIGH (1, normalment 5 V) o LOW (0, 0 V).
Una entrada analògica de 10 bits dona un nombre entre 0 i 1023 (2102^{10} = 1024 valors), proporcional a la tensió.
El perquè: les entrades digitals serveixen per a polsadors i interruptors; les analògiques, per a sensors que donen valors gradats com la temperatura.

8

Exercici 8

Un braç robòtic té tres articulacions, cadascuna de les quals pot girar sobre ella mateixa. Quants graus de llibertat té? Què vol dir això?

Mostra la solució

Té 3 graus de llibertat, un per articulació.
Els graus de llibertat són els moviments independents que pot fer el robot; com més n'hi ha, més posicions i orientacions pot assolir.
El perquè: un braç amb pocs graus de llibertat només arriba a punts concrets; per a tasques complexes calen més articulacions.

9

Exercici 9

Quin sensor faries servir per a cada tasca d'un robot: (a) saber si ha xocat contra una paret; (b) seguir una línia negra sobre el terra; (c) mesurar la distància a un obstacle sense tocar-lo? Opcions: ultrasons, final de carrera (contacte), sensor de llum infraroig.

Mostra la solució

(a) Final de carrera o sensor de contacte.
(b) Sensor de llum infraroig, que detecta la diferència entre la línia fosca i el terra clar.
(c) Sensor d'ultrasons, que mesura el temps de retorn d'un so.
El perquè: cada sensor mesura una magnitud diferent; cal triar el més adequat per a cada funció.

Nivell intermedi

10

Exercici 10

Classifica com a llaç obert o tancat: (a) un aire condicionat amb termòstat que manté 24 graus; (b) un ventilador que gira sempre a la mateixa velocitat mentre està encès.

Mostra la solució

(a) Llaç tancat: mesura la temperatura amb un sensor i es corregeix per mantenir els 24 graus. (b) Llaç obert: gira sempre igual sense comprovar ni corregir res segons la temperatura de l'habitació.

11

Exercici 11

Anomena un avantatge i un inconvenient del sistema en llaç tancat respecte del llaç obert.

Mostra la solució

Avantatge: és més precís i s'adapta als canvis, perquè es corregeix sol segons el resultat mesurat. Inconvenient: és més complex i car, perquè necessita sensors i un sistema que compari i corregeixi, mentre que el llaç obert és més senzill i barat.

12

Exercici 12

Digues si cada element és un sensor o un actuador: (a) un motor; (b) un sensor d'ultrasons de distància; (c) una resistència que escalfa; (d) una fotoresistència.

Mostra la solució

(a) Motor: actuador (fa una acció física). (b) Sensor d'ultrasons: sensor (mesura la distància). (c) Resistència que escalfa: actuador (produeix calor per ordre del controlador). (d) Fotoresistència: sensor (mesura la llum).

13

Exercici 13

Explica la diferència entre una estructura de seqüència i una de bucle.

Mostra la solució

En la seqüència, les instruccions s'executen una darrere l'altra, en ordre, i cadascuna una sola vegada. En el bucle, un grup d'instruccions es repeteix diverses vegades (un nombre de cops o mentre es compleix una condició). El bucle serveix per repetir sense haver d'escriure la mateixa instrucció moltes vegades.

14

Exercici 14

Un motor de 9 V es controla amb un senyal PWM amb un cicle de treball (duty) del 40 %. Quina és la tensió mitjana que rep? Què passa amb la velocitat si el duty puja al 80 %?

Mostra la solució

Tensió mitjana = 0,40 × 9 V = 3,6 V.
Amb un duty del 80 %: 0,80 × 9 = 7,2 V; el motor gira més de pressa (al voltant del doble de tensió mitjana).
El perquè: el PWM activa i desactiva ràpidament la tensió; el temps que està activa determina la potència mitjana. Així es regula la velocitat sense perdre energia en resistències.

15

Exercici 15

Segueix aquest programa en pseudocodi: n ← 3; comptador ← 0; mentre n < 40 { n ← n · 2; comptador ← comptador + 1 }. (a) Fes la traça: escriu els valors de n i comptador després de cada iteració. Quins valors tenen al final? (b) Si la condició fos n < 100, quins serien els valors finals?

Mostra la solució

(a) Inici: n = 3, comptador = 0 (3 < 40, entrem al bucle).
Iteració 1: n = 6, comptador = 1
Iteració 2: n = 12, comptador = 2
Iteració 3: n = 24, comptador = 3
Iteració 4: n = 48, comptador = 4
Ara n = 48 i 48 < 40 és fals: el bucle s'atura. Final: n = 48, comptador = 4.
(b) Amb n < 100 es fan les mateixes 4 iteracions i, com que 48 < 100, encara se'n fan dues més:
Iteració 5: n = 96, comptador = 5
Iteració 6: n = 192, comptador = 6
Final: n = 192, comptador = 6 (192 < 100 és fals).
El perquè: un bucle «mentre» comprova la condició abans de cada iteració; el nombre de voltes depèn del valor inicial, de la condició i de l'operació del cos del bucle.

16

Exercici 16

Un motor gira a 3000 rpm. Es connecta a un reductor d'engranatges amb relació 15:1 (la velocitat es divideix per 15). Quina velocitat té l'eix de sortida? Què passa amb el parell, suposant que no hi ha pèrdues?

Mostra la solució

Velocitat de sortida = 3000 / 15 = 200 rpm.
El parell es multiplica per 15 (sense pèrdues), de manera que el robot pot moure càrregues més pesades.
El perquè: un reductor canvia velocitat per parell; els motors giren ràpid però amb poca força, i un reductor els fa útils per moure robots.

17

Exercici 17

Segueix aquest programa, escrit en pseudocodi: x ← 0; repetir 4 vegades { si x < 5, x ← x + 2; si no, x ← x − 1 }. Quin és el valor de x després de cada repetició i al final?

Mostra la solució

Inici: x = 0.
1a repetició: 0 < 5, així que x = 2.
2a repetició: 2 < 5, x = 4.
3a repetició: 4 < 5, x = 6.
4a repetició: 6 no és menor de 5, així que x = 6 − 1 = 5.
Valor final: x = 5.
El perquè: dins d'un bucle, la condició es comprova a cada repetició amb el valor actual de la variable.

18

Exercici 18

Un robot avança fins que el sensor d'ultrasons mesura menys de 15 cm; llavors gira 90°. Quina acció fa amb cada una d'aquestes lectures successives: 40 cm, 30 cm, 12 cm, 50 cm?

Mostra la solució

40 cm: no és menor de 15, avança.
30 cm: avança.
12 cm: és menor de 15, gira 90°.
50 cm: avança.
El perquè: el robot decideix a cada lectura segons una condició; així pot reaccionar als obstacles en temps real, que és el que passa en un sistema de llaç tancat.

Nivell avançat

19

Exercici 19

Explica per què un robot aspirador que esquiva els mobles ha de funcionar en llaç tancat i no en llaç obert.

Mostra la solució

Perquè l'entorn canvia (els mobles i obstacles poden ser en llocs diferents cada cop) i cal reaccionar-hi. Amb sensors detecta els obstacles i corregeix la trajectòria en temps real: això és llaç tancat. En llaç obert seguiria un recorregut fix sense mirar què té davant i xocaria contra tot.

20

Exercici 20

Per què es diu que el controlador és el cervell del sistema? Què fa exactament?

Mostra la solució

Perquè és qui decideix. Rep la informació dels sensors, la compara amb l'objectiu o amb el que hauria de passar segons el seu programa i, a partir d'aquí, decideix quines ordres envia als actuadors. No mesura ni actua directament: pensa i coordina la resta d'elements.

21

Exercici 21

Per què un robot necessita estructures condicionals i no n'hi ha prou amb una simple seqüència d'instruccions?

Mostra la solució

Perquè l'entorn canvia i el robot ha de reaccionar segons el que detecta. El condicional li permet fer una cosa o una altra depenent dels sensors (si hi ha obstacle, gira; si no, avança). Amb una seqüència fixa faria sempre el mateix sense adaptar-se, i no podria respondre a situacions diferents.

22

Exercici 22

Un robot seguidor de línia té tres sensors: E (esquerre), C (central) i D (dret), que valen 1 quan veuen la línia negra. Regles: si C = 1, avança; si C = 0 i E = 1, gira a l'esquerra; si C = 0 i D = 1, gira a la dreta; si cap sensor veu la línia, s'atura i busca. Quina acció fa amb (E, C, D) = (1, 1, 0)? I amb (1, 0, 0)? I amb (0, 0, 0)? Què té de problemàtic la combinació (1, 0, 1)?

Mostra la solució

(1, 1, 0): C = 1, avança (la línia és al centre, tot i que lleugerament cap a l'esquerra).
(1, 0, 0): C = 0 i E = 1, gira a l'esquerra per tornar a la línia.
(0, 0, 0): cap sensor veu la línia, s'atura i busca.
(1, 0, 1): C = 0 i tant E com D veuen línia. Les regles donen dues respostes contradictòries (esquerra i dreta). Pot passar en una cruïlla o un angle de la línia. Cal afegir una regla de prioritat o un criteri per resoldre-ho.
El perquè: en programar, s'han de preveure totes les combinacions possibles de les entrades.

23

Exercici 23

Un sensor d'ultrasons mesura la distància a partir del temps que triga l'eco a tornar. La velocitat del so és de 343 m/s. Si el temps mesurat és de 5,83 ms, a quina distància és l'obstacle? Quin és el temps màxim de l'eco per mesurar fins a 4 m?

Mostra la solució

El so fa anada i tornada, així que la distància és la meitat del camí: d = v · t / 2.
d = 343 × 0,00583 / 2 ≈ 1,0 m.
Per a 4 m, el camí és 8 m: t = 8 / 343 ≈ 0,0233 s = 23,3 ms.
El perquè: l'eco recorre dues vegades la distància; si oblidem dividir entre 2, el resultat seria el doble.

24

Exercici 24

Un control proporcional (P) calcula la sortida u = KpK_{p} · e, on e és l'error (consigna − mesura). En un sistema simple, a cada pas la mesura augmenta 0,1 · u. Si KpK_{p} = 2, la consigna és 100 i la mesura inicial és 60, calcula la mesura després de tres passos.

Mostra la solució

Pas 1: e = 100 − 60 = 40; u = 2 × 40 = 80; mesura = 60 + 0,1 × 80 = 68.
Pas 2: e = 32; u = 64; mesura = 68 + 6,4 = 74,4.
Pas 3: e = 25,6; u = 51,2; mesura = 74,4 + 5,12 = 79,52.
La mesura s'acosta a 100 cada cop més lentament.
El perquè: quan l'error és gran, la correcció és gran; quan l'error és petit, la correcció també ho és, i per això el sistema s'aproxima a la consigna sense passar-se massa. És un exemple de control en llaç tancat.

25

Exercici 25

Un robot consumeix 0,5 A a cada un dels dos motors i 0,2 A l'electrònica, tot a 6 V. La bateria té 2400 mAh. Quant de temps pot funcionar, si els motors van sempre en marxa? Quina potència consumeix?

Mostra la solució

Intensitat total = 0,5 + 0,5 + 0,2 = 1,2 A = 1200 mA.
Autonomia = 2400 mAh / 1200 mA = 2 h.
Potència = 6 V × 1,2 A = 7,2 W.
El perquè: la capacitat d'una bateria (mAh) dividida per la intensitat dona el temps. En la pràctica, els motors no consumeixen sempre al màxim, i l'autonomia és diferent.

26

Exercici 26

Una roda d'un robot té 50 mm de diàmetre i porta un encoder que dona 24 polsos per volta. (a) Quants mil·límetres avança el robot per cada pols? (b) Quants polsos cal comptar perquè recorri 1,2 m (arrodoneix amunt)? (c) Els dos motors haurien de fer el mateix recorregut, però en un moment donat la roda esquerra ha comptat 180 polsos i la dreta 184. Si les dues rodes són a 120 mm una de l'altra, quant s'ha desviat el robot, en graus? (Gir en radians = diferència de recorreguts / distància entre rodes.)

Mostra la solució

(a) Perímetre de la roda: π · 50 ≈ 157,1 mm. Per pols: 157,1 / 24 ≈ 6,545 mm.
(b) Polsos = 1200 / 6,545 ≈ 183,3; arrodonit amunt, 184 polsos.
(c) Recorregut esquerre: 180 · 6,545 ≈ 1178,1 mm; dret: 184 · 6,545 ≈ 1204,3 mm. Diferència: 26,2 mm.
Gir: 26,2 / 120 ≈ 0,218 rad ≈ 12,5°. El robot s'ha desviat cap a l'esquerra, perquè la roda dreta ha recorregut més.
El perquè: l'encoder converteix el gir en polsos; comptant-los coneixem la distància, i comparant les dues rodes detectem desviacions. Per corregir-les es pot fer servir un control proporcional.

27

Exercici 27

Un sistema de reg automàtic segueix aquesta regla: regar si la humitat del sòl és inferior al 30 % i no està plovent. Què fa el sistema en cada cas? (a) humitat 25 %, sense pluja; (b) humitat 25 %, amb pluja; (c) humitat 40 %, sense pluja. Escriu la regla com una expressió lògica i indica els sensors i actuadors.

Mostra la solució

Regla: regar = (humitat < 30 %) AND (NOT pluja).
(a) Es compleixen les dues condicions: rega.
(b) Plou: no rega.
(c) La humitat és suficient: no rega.
Sensors: d'humitat del sòl i de pluja. Actuador: l'electrovàlvula de l'aigua. Controlador: la placa que avalua la regla.
El perquè: combinar condicions amb operadors lògics permet evitar malgastar aigua.

28

Exercici 28

Un braç robòtic col·laboratiu treballa al costat de persones en una fàbrica. Proposa dues mesures de seguretat que tinguin en compte el control en llaç tancat i explica per què serveixen.

Mostra la solució

Una mesura: sensors de força o de contacte al braç, que detecten un xoc i fan que s'aturi o redueixi la velocitat de manera immediata. Funciona en llaç tancat perquè el sistema mesura i reacciona.
Una altra: una parada d'emergència accessible que talli l'alimentació dels motors, i sensors de presència (càmera, làser) que alentissin o aturin el robot quan una persona entra en la seva zona de treball.
El perquè: un robot ràpid pot fer mal; el control en llaç tancat i la redundància de mesures de seguretat permeten que persones i màquines treballin juntes.

T'encalles amb aquest tema?

A L'Acadèmia de Vic t'ajudem amb classes individuals. Escriu-nos per WhatsApp.

Escriu-nos per WhatsApp (604 95 79 95)

Més informació: Reforç d'ESO a Vic · Classes particulars

Preguntes freqüents

Quina diferència hi ha entre llaç obert i llaç tancat?

En llaç obert el sistema actua sense comprovar el resultat, com una torradora amb temporitzador. En llaç tancat un sensor mesura el resultat i el sistema es corregeix, com un termòstat.

Per què el controlador és el cervell del sistema?

Perquè rep la informació dels sensors, la processa segons el programa i decideix què han de fer els actuadors.

Altres temes de Tecnologia i Digitalització 4t ESO

Utilitzem cookies d'analítica per millorar el web. Política

base44
Edit with Base44