Introducción a la Ingeniería de Control

¿Qué es control?

Es la acción o el efecto de poder decidir sobre el desarrollo de un proceso o sistema. También se puede entender como la forma de manipular ciertas variables para conseguir que ellas u otras variables actúen en la forma deseada.

¿Qué es Ingeniería de Control?

Es un enfoque interdisciplinario para el control de sistemas y dispositivos. Combina áreas como eléctrica, electrónica, mecánica, química, ingeniería de procesos, teoría matemática entre otras.

Subdisciplinas (por tipo de control)

• Control a lazo abierto
• Control a lazo cerrado
• Regulación (set-point control): mantener algo constante
• Seguimiento de trayectorias (seguir algo a medida de que cambia, con un mínimo de error)

Subdisciplinas (por tipo de teoría)

• Control lineal (muy limitado, fácil de usar)
• Control no lineal (para sistemas complejos, muy efectivo)
• Control óptimo (busca la mejor solución sobre restricciones)
• Control robusto (mejor desempeño ante perturbaciones)

Definiciones

Sistema: Es una combinación de componentes que actúan conjuntamente para lograr cierto objetivo. El concepto de sistema se puede aplicar a fenómenos físicos, biológicos, económicos, sociales y otros.

Variable controlada (Salida): Es la cantidad o condición que se mide y controla.

Variable manipulada: Es la variable que se modifica con el fin de afectar la variable controlada.

Proceso: Es el desarrollo natural de un acontecimiento, caracterizado por una serie de eventos o cambios graduales, progresivamente continuos y que tienden a un resultado final.

Planta: Conjunto de piezas de una maquinaria que tienen por objetivo realizar cierta actividad en conjunto. En sistemas de control, por planta se entiende el sistema que se quiere controlar.

Perturbaciones: Una perturbación es algún suceso que afecta adversamente el desarrollo de algún proceso. Si la perturbación se genera dentro del sistema, se le denomina perturbación interna, caso contrario la perturbación es externa.

Sistema de control de lazo abierto: Es un sistema de control en donde la salida no tiene efecto sobre la acción de control. La salida puede ser o no ser medida, pero esa medición no afecta al controlador.

Control realimentado: Es una operación que tiende a mantener una relación prescrita de una variable de un sistema con otra, comparando estas funciones y usando sus diferencias como medio de control.

Sistema de control realimentado: Es aquel sistema de control que utiliza alguna relación entre la variable de salida y alguna variable de referencia, como medio de control.

Historia del Control Automático

Las primeras aplicaciones se remontan a los mecanismos reguladores con flotador en Grecia.

El reloj de Ktesibius fue construido alrededor de 250 a. C. Es considerado el primer sistema de control automático de la historia.

Herón de Alejandría (100 d. C.) publicó un libro denominado Pneumatica en donde se describen varios mecanismos de nivel de agua con reguladores de flotador.

Europa época moderna

El primer control realimentado: Cornelis Drebbel (Holandés, 1572-1634) construyó cerca de 1618 una incubadora con una realimentación explícita para regular la temperatura. Trabajo hecho en Inglaterra. Sin embargo, el trabajo más significativo de Drebbel fue el primer submarino útil en 1620, donde también utilizó sistemas realimentados.

Denis Papin (Francés, 1647-1712) en 1681, inventó el primer regulador de presión para calderas de vapor.

Sin embargo, el primer trabajo significativo en control con realimentación automática fue el regulador centrífugo de James Watt, desarrollado en 1769.

Mientras que Rusia reclama como el primer sistema de control, el regulador de nivel de agua de flotador inventado por I. Polzunov (1729-1766) en 1765.

J.C. Maxwell (1831-1879), consideró una teoría matemática relacionada con la teoría de control usando el modelo de una ecuación diferencial en 1868:

Sus Aportaciones:

• Concepto de estabilidad
• Modelos matemáticos simples
• Importancia de la acción integral
• Linealización
• Estabilidad como problema algebraico
• Criterios de estabilidad para sistemas de primero, segundo y tercer orden.

Evans a finales de la década de 1940 y principios de 1950 desarrolló el Método del Lugar de las raíces. Los métodos de respuesta en frecuencia y lugar de las raíces son la base del control clásico. Durante esas fechas los científicos rusos se centraron en la formulación del dominio del tiempo y ecuaciones diferenciales.

Avances en la post-guerra:

• Rápida diseminación del nueva teoría de control.
• Mayor apertura Teoría Rusa y Occidental.
• Establecimiento de centros de investigación en control
• Mayor interés no bélico en los sistemas de control.
• Incremento en cursos de control en universidades.
• Debates públicos acerca del control y otras ciencias.

La teoría moderna de control se basa en el análisis y síntesis en el dominio del tiempo. Utilizando variables de estado.