Diapositivas CLASE 1 HISTORIA · 2013. 5. 12. · Diapositivas CLASE 1 HISTORIA 1 CONTROL...

CONTROL ANALÓGICO - UNIDAD 1

Tomado de: http://automata.cps.unizar.es/Historia/Webs/IntroduccionI.htm 1

Diapositivas CLASE 1 HISTORIA

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Historia de los sistemas de control

• Para entender el propósito del sistema de control, es útil examinar ejemplo de sistemas de control a través de la historia. Estos tempranos sistemas incorporan muchas de las mismas ideas de realimentación que son usados hoy en día.

• La práctica de la ingeniería de control moderna incluye el uso de diseño de estrategias de control para perfeccionar procesos de manufactura, la eficiencia de la energía usada, avances en el control del automóvil, etc.

• La ingeniería está en entender y controlar los materiales y las fuerzas de la naturaleza para el beneficio de la humanidad.

• La ingeniería de control está basada en la fundamentación de la teoría de realimentación y el análisis de sistemas lineales, integra los conceptos de teoría de redes y teoría de la comunicación. Por consiguiente la teoría de control no está limitada para ninguna disciplina de la ingeniería; pero es igualmente aplicable a la aeronáutica, química, mecánica, medio ambiente, cine, etc, comprensión de la dinámica de negocios, sistemas políticos.

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• Ktesibios, en el siglo III antes de Cristo diseña un reloj de agua, conocido también como Clepsydra.

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• Philon de Bizancio, construyó unsistema de regulación de nivel deuna lámpara de aceite.

• Cuando se consume el aceite deldepósito de la base de la lámpara através de b, entra aire en el depósitoel cual evacua aceite a travésde d. En el instante en que eldepósito se llene dejará de entraraire en a y dejará de salir aceitepor d. Con este sistema no seconseguía un nivel constante en eldepósito pero se aseguraba larecarga de este cuando el aceite seiba consumiendo.

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• Unos de los primeros sistemas realimentados de la historia son losdispensadores de vino cuyo funcionamiento se describe en loslibros de Herón. El que se observa en la figura se basaba en elprincipio de los vasos comunicantes, y conseguía que el volumen devino suministrado fuera constante. La válvula f permanecía abiertahasta que el elemento sensor (el flotador) la cerraba por el efectode los vasos comunicantes.

• Solo que subir o bajar el niveldel flotador para decidir el niveldel depósito a.

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• El sistema de esta figura también fue diseñado por Herón. • El vino era servido desde un recipiente a que se comunicaba con

otro recipiente c por medio de un vaso comunicante. De forma que cuando se cogía vino de a el nivel de c bajaba y el flotador d abría la válvula. Entonces el vino caía dentro de c procedente de un gran depósito e hasta que la altura de a y c hacía que el flotador volviera a tapar la válvula.

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• Herón también construyeun Odómetro, uninstrumento dedicado amedir la distanciarecorrida por un vehículo.El sistema utilizado eramuy ingenioso y consistíaen una transmisión quecada vez que daba unavuelta la rueda final caíauna bola en uncontenedor. Solo habíaque contar el número debolas para conocer ladistancia recorrida. 7

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• En la Edad Media cabría resaltar la realización de un sistema de control de un molino de harina realizado por H.U. Lansperg hacia el 1200, de forma que la cantidad de grano suministrada al molino dependía de la fuerza del viento y la dureza del propio grano, permitiendo que el sistema funcionará en condiciones óptimas, no se pretendía moler a velocidad constante.

• Este distribuidor de grano es considerado como uno de los reguladores de la historia. El grano llegaba a la rueda de molienda a través de un alimentador con una pendiente muy pequeña, de forma que el grano no se movía si el alimentador estaba en reposo.

• El eje de la rueda moledora tenia una serie de aristas que golpeaban el alimentador. A cada golpe caía una pequeña cantidad de grano de forma que cuanto mayor fuera la velocidad del viento mayor era la cantidad de grano. Por equilibrio de energía se produce el efecto de la realimentación.

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• En el año 1745, E. Lee inventa un sistema para controlar automáticamente la orientación e inclinación de las aspas de los molinos de viento, de modo que se aprovechara mejor la dirección del viento. Se trataba del primer servomecanismo de posición. Fue patentado bajo el nombre de "Self-regulating Wind Machine". En esta patente [Lee 1745] se describen dos mecanismos:

El molinillo de cola, el cual no gira si no se encuentra en la dirección normal al viento, y por lo tanto no hace girar la cúpula del molino.Un variador automático del ángulo de ataque de las aspas. Con el

que se podía regular la velocidad de giro de las aspas del molino.Este segundo mecanismo no se llego a realizar debido a su complicación constructiva. El ingenio de Lee se implantó rápidamente en Inglaterra y en el norte de Alemania.

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• Sistema de orientación delas aspas de los molinos.

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• Cuando el grano de trigo es molido, la calidad de la harina producida depende fuertemente de dos factores: de la distancia entre las dos ruedas, la móvil y la fija, y de la velocidad de rotación de la primera.

• En las últimas décadas del siglo XVII, se dedican muchos esfuerzos investigadores a desarrollar dispositivos que consigan controlar estos dos factores.

• En 1787, Thomas Mead patenta un diseño que combinaba la solución de los dos problemas. El invento [Mead 1787] disponía de un regulador que aseguraba que la presión ejercida entre las piedras del molino fuera proporcional a la velocidad de rotación. Este se combinaba con otro ingenio que variaba el ángulo de ataque de las aspas del molino, de forma que se controlaba la velocidad del molino.

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• Este ingenio resulta particularmente interesante dado que Mead utiliza como sensor de velocidad un péndulo rotativo precursor de los reguladores centrífugos.

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• El primer sistema realimentado inventado en Europa moderna fue el regulador de temperatura de Cornelis-Drebbel (1572 – 1633) en Holanda. Mantenía constante una temperatura en una cámara. El aire caliente escapaba de la cámara, para ser regulada.

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• El sistema funciona de la siguiente manera, el compartimiento donde están los huevos, esta rodeado por otro por donde hay una circulación de fuego y gases de la combustión, debajo del mismo hay un tubo que contiene alcohol y que al calentarse produce la dilatación del mismo, este a su vez empuja al mercurio, contenido en un vaso que tiene a modo de pistón una placa metálica, que flota en el mercurio, al aumentar la presión ejercida por el alcohol, cuando aumenta la temperatura, el flotador sube. El flotador tiene una barra que transmite el movimiento a un mecanismo que transforma su movimiento vertical ascendente en otro movimiento vertical descendente que mueve una válvula que cierra la salida de los gases de la combustión y limita el fuego en el quemador, esto hace que la temperatura no aumente y todo el sistema la mantiene en un determinado valor.

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• Dennos Papin (1647 – 1712)inventó el primer regulador depresión para calderas a vapor en1681. El regulador de presión dePapin fue una forma de reguladorde seguridad similar a la válvulade presión de una olla.

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• 1765: Polzunov inventó elprimer regulador porflotación.

• El primer sistema derealimentación histórico fuedesarrollado en Rusia, es unflotador regulador que nosdice el nivel del agua y fueinventado por I - Polzunov en1765.

• El flotador detecta el nivel delagua y controla la válvula quetapa la entrada de agua en elrecipiente.

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• Los primeros antecedenteshistóricos de la máquina devapor se remontan a la antiguaGrecia. En el siglo II antes deCristo Herón de Alejandríaconstruyo la primera turbina devapor conocida, la conocidacomo Aelópila de Herón. C

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• 1769: James Watt inventa la máquina de Vapor y su sistema de control

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• Un cinturón o correa transmite el movimiento circular, de la maquina a una polea, la misma hace girar a una columna central, esta produce un movimiento centrifugo a dos bolas solidarias a la columna.

• Tanto la bola derecha como la izquierda se van separando de la columna y tiran para abajo a una pieza móvil que mueve a una barra móvil, el movimiento

indicado como f de la barra móvil,produce del otro extremo unmovimiento l, que cierra la válvula de vapor y limita la velocidad de la máquina.

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• 1800: Whitney desarrolló el concepto de partes intercambiables en manufactura.

• 1868: J.C. Maxwell formuló un modelo matemático para el control de la máquina de vapor de Watt.

• 1913: Henry Ford mecanizó el ensamblaje de automóviles.• 1927: H.W. Bode analizó los primeros amplificadores

retroalimentados.• 1932: H. Nyquist desarrollo un método para el análisis de

estabilidad de los sistemas.

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• 1952: MIT (Massachussets Institute of Technology) realiza el desarrollo de controladores numéricos.

• 1954: Georges Devol desarrolló el primer diseño de robot industrial.

• 1970: el control de espacio de estados y el control óptimo fueron un paso claro para el desarrollo de la ingeniería de control.

• 1994: la mecatrónica se volvió de uso común en los automóviles..• Actualmente, conceptos como control estocástico, control

inteligente ( difuso y neuronal), control por modos deslizantes y control adaptivo son ampliamente utilizados en el campo de la ingeniería de control.

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Acerca de la técnica y la regulación.• Enfoque de la ingenieríautilidad• ¿Bajo qué criterios se considera útil? • Racionalización efectivización y remuneración. • La critica contra el pensamiento unilateral en esta

línea es una parte importante de las discusiones sociales de la actualidad. La técnica y la regulación, dicen los críticos, deben ser los medios para alcanzar las metas deseadas para el bienestar humano. Entonces el riesgo latente es que el medio se empiece a ver como una meta , en tanto que la meta inicial se pierde de vista.

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Conceptos• Ingeniería de control: rama de la ingeniería que

tiene como método desarrollar métodos generales para la regulación de sistemas de acuerdo con las intenciones dadas.

• Proceso: sistema técnico o de cualquier otra área que tenga cambios de estado de acuerdo con condiciones dadas.

• Un ingeniero de control se preguntará:• ¿Cuáles son las entradas y salidas del sistema?• ¿Cuál es el objeto a regular?• ¿Qué señales de medición tengo?• ¿Qué tipo de regulador es el adecuado? 23

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.Representaciones gráficas.• Diagrama general del proceso.• Diagrama detallado del proceso• Diagrama del proceso e instrumentación.• Diagrama de flujo• Diagrama de bloques.

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Formas de regulaciónSistemas de regulación de lazo abierto (open loop control system).

• El sistema de control no tiene información del valor de la señal de salida. Por tanto, si se produce una desviación entre el valor esperado y el valor real de salida, el sistema no podrá intervenir de manera autónoma en su corrección.

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Formas de regulaciónSistemas de regulación de lazo abierto (open loop control system).

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Sistema de control de lazo cerrado(closed loop control system)

• Observación de lo que realmente pasa en el objeto a regular.• Las medidas de regulación se modifiquen y se ajusten a las

observaciones hechas.

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Objeto a regular

Utensilio de regulación

Perturbaciones

Influencia

Señal de regulación

Observación

Señal de medición

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Componentes de un lazo de control

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Regulador Proceso

Unidad de medición

Unidad de regulaciónSeñal de

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Señal de regulación

Señal regulada

Disturbios (perturbaciones)

Señal de salida

Comparador

Señal

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referencia

Señal medida

Señal de entrada

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comparador bloque

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Aplicaciones de la ingeniería de control• Medicina y bioingeniería• Control de vehículos• Instrumentación• Sistema armamentista• Ingeniería ambiental• Industria del proceso• Ingeniería espacial• Industria de la producción• Industria de la manufactura

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Herramientas matemáticas para sistemas de tiempo continuo• Ecuaciones diferenciales• Transformada de Laplace• Linearización de ecuaciones diferenciales no lineales con las

series de Taylor

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Clasificación de los sistemasDe acuerdo con sus leyes físicas estos pueden ser:• Mecánicos• Eléctricos• Térmicos• Fluidos• Sociales• Mezcla de sistemasDe acuerdo con sus propiedades, es decir, de acuerdo con el carácter de

entrada y salida• Estáticos/dinámicos• Lineal/no lineal• Invariables / variables en el tiempo• Monovariable / multivariable• Parámetros concentrados• continuos• Discretos• Determinísticos / estocásticos 46

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