Iniciando Control de sistemas…

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Desde siempre el hombre ha dedicado su ingenio a crear instrumentos para que le ayudaran en su día a día. Tanto para simplificar diversas tareas, como para solucionar problemas, que con sus propios medios no era capaz de solucionar. Según se iban inventando herramientas, surgió la idea de que esas invenciones fueran capaces de funcionar sin la intervención del hombre. De esta forma se ganaría libertad además de obtener más potencia y versatilidad.

molino
Molino de agua

El primer sistema autómata del que se tiene constancia es la Clepsydra de Ktesibios (s III a.C.). Aunque no adquiere una funcionalidad concreta hasta que Platón (427-347 a.C.) lo incorpora a los relojes de agua. Por lo que es el primer sistema que realiza movimiento sin la intervención directa del hombre.

A partir de ese momento se realizan diferentes diseños y artefactos autómatas. Todos ellos dentro del marco de la neumática. Este sistema motor a base de la fuerza del agua fue definido como tal en la Enciclopedia Técnica de Herón de Alejandría (s I a.C.). En ella se describía como la fuerza motora que hacía girar los diferentes molinos de agua que molían la harina. Con las técnicas neumáticas se podía regular la fuerza y la velocidad del giro.

El agua como fuerza motora se comienza a abandonar en el siglo XVII con la llegada de las máquinas de vapor inspiradas en los estudio del Marqués de Worcester, Edward Somerset (1601-1667). Llegaba la revolución industrial, con el carbón de materia prima y los pistones para transmitir el movimiento. Pero potencia sin control no sirve de nada, y James Watt (1736-1819), basándose en los reguladores centrífugos para molinos de Andrew Meikle (1719-1811), introdujo un control mecánico de tipo proporcional a esta máquinas.

Este controlador proporcional, P, aunque no contaba con una base matemática, se considera por muchos como el inicio de la Ingeniería o Teoría de Control.

James Clerk Maxwell
James Clerk Maxwell

Las bases matemáticas necesarias para dar forma a la teoría que acompañaba a estos controladores, se basaron en las ecuaciones descritas por Pierre-Simon Laplace (1749-1827) y Jean-Baptiste Joseph Fourier (1768-1830). Pero el soporte matemático de este nuevo campo de la ingeniería empieza a tomar forma pero no fue hasta que se aplicó la variable compleja de Augustin Louis Cauchy (1789-1857) que no terminó de tener fuerza. Las ecuaciones características de los primeros controladores fueron definidas por primera vez en «On Governors» de James Clerk Maxwell (1831-1879).

En esta completa obra se hace la primera distinción entre los reguladores de acción integral, I, y los reguladores proporcionales. Pero lo más importante es la afirmación de que un sistema puede representarse, cerca de un punto de equilibrio, mediante una ecuación lineal. Por lo tanto, se podía analizar su estabilidad mediante las raíces de dicha ecuación. Esta afirmación supuso un gran empuje para el desarrollo e implantación de los sistemas de control. Era la confirmación de que se podía aplicar una acción mecánica premeditada a un sistema para tenerlo bajo nuestro control y obtener un resultado específico.

Gracias a este nuevo enfoque en los años posteriores se suceden los trabajos, principalmente en el campo teórico, por personajes como Edward John Routh (1831-1907), Adolf Hurwitz (1859-1919) o Nils Gustaf Dalén (1869-1937). Estos fueron dejando sus aportaciones, algunas premiadas con Premios Novels, dando forma a la Teoría Clásica del Control.

En este momento, los sistemas autómatas más potentes, eran los que se desarrollaban con sistemas de control en lazo cerrado o en lazo abierto.

Harry Nyquist
Harry Nyquist

El control de sistemas comienza a extenderse a otros ámbitos, como el de las señales. Esto implica que las matemáticas con las que se diseñan los controles han de evolucionar para abarcar otros escenarios. Se introduce el dominio en frecuencia. Los trabajos de estabilidad cobran cada vez más importancia con las teorías de Harry Nyquist (1889-1976) y los diagramas de Harald Bode (1909-1987). Y se da un vuelco a la industria con la retroalimentación mediante amplificadores de Harold Stephen Black (1898-1983). En los años treinta se introduce la acción derivativa dando lugar a los controladores PID (Proporcional, Integral y Derivativo). Estos simples pero robustos controladores tuvieron gran acogida en el sistema industrial y en la actualidad siguen siendo uno de los componentes básicos en la industria mecánica. Por lo que se empieza a generalizar el uso de controladores y se fomenta su estudio.

sistema de control PID
Esquema de un sistema controlado por un PID.

En 1936, se formulan por primera vez los términos de estado, función de transferencia, FT, y función de lectura. Nos encontramos en marco de la teoría de máquinas discretas de Alan Turing (1912-1954).

cohete
Cohete espacial despegando con los sistemas de control automáticos.

Con la Segunda Guerra Mundial surge un nuevo campo de aplicación crítico. El control orientado de los misiles armamentísticos. Empieza a desarrollarse toda una especialidad centrada en el lanzamiento de cohetes, que posteriormente se reconvertiría para la carrera espacial. Debido a las características propias de los cohetes y misiles los sistemas debían ser muy precisos y fiables. Para la toma de decisiones de estos cohetes, empiezan a desarrollarse los métodos temporales.

Al introducir una variable temporal, dt, se inicia el muestreo de señales y la discretización. En cada intervalo de tiempo o ciclo se realizan nuevas medidas y se recalculan los valores. Con este nuevo método de medición entramos en la discretización de las señales. Comienza la era moderna del control. Destacan autores como Rudolf E. Kalman (1930), con el filtro de Kalman, o Lev S. Pontryagin (1908–1988), con el principio del máximo para la optimización.

Ahora la etapa de observabilidad del sistema pasa a ser tan importante como la de controlabilidad. Se desarrollan los sistemas de control adaptativos, tanto autoajustables (SAA) como con modelo de referencia (SAMR). Y comienza a usarse la Transformada Z. También se desarrolló un nuevo tipo de sistema a prueba de perturbaciones. El control robusto para sistemas críticos.

A partir de los años 50, la Teoría del Control da el salto a las computadoras de la mano de los propios fabricantes. Al ver que podía aplicarse todo lo aprendido en los proyectos militares de los años anteriores a la industria, se esperaba poder así sacarles rentabilidad. Por lo que los primeros sistemas computarizados se instalan en diversas fábricas industrializadas. Su función era realizar controles sobre los datos analógicos obtenidos por los conversores analógico-digitales (DAC) que empezaban a emplearse en la industria de forma asidua. Estos primeros DAC introducían mucho ruido en las señales y no eran muy confiables.

En los años 60 se desarrolla el Control Digital Directo (CDD), que mejora mucho el rendimiento de los anteriores modelos. Tanto en fiabilidad como en costes. Por lo que la industria los acoge rápidamente mientras se desata una nueva revolución industrial.

control por computadora
Ejemplo de software propio para la Ingeniería de Control moderna.

Con la llegada de los circuitos integrados y los microprocesadores, y sobre todo con la rapidez de respuesta de los electromecánicos, los sistemas digitales empiezan a ganar la partida a los analógicos, realizando rápidos y eficaces controles sobre motores síncronos y asíncronos. Surge la computación vectorial que, junto a los nuevos modelos teóricos, consiguen una respuesta dinámica de gran calidad. Con estas mejoras se abre la puerta al control en tiempo real (RT) y comienzan a desarrollarse programas y herramientas específicas para la Ingeniería de Control.

La especialidad toma relevancia y se empieza a invertir en ella para sacarla de las plantas industriales y de los cohetes y llevarla a nuestros hogares. Siendo en la actualidad una de las bases sobre las que se cimientan la Robótica y la inteligencia Artificial.

Pues a rebufo del desarrollo de las Teorías de Control, fueron surgiendo una serie de trabajos e inventos enfocados a crear máquinas totalmente automáticas. Entre ellos destacan algunos como el Ajedrecista de Leonardo Torres Quevedo (1852-1936) en 1912 y “Cybernetics» de Norbert Wiener (1894-1964), en 1948. Hoy se considera que estos trabajos fueron la semilla de lo que hoy se denomina sistemas autómatas y cibernéticos. Y que estos junto al control en tiempo real y a los nuevos descubrimientos tecnológicos, tanto en hardware como en software, plantean un apasionante futuro.






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