Diapositivas CLASE 1 HISTORIA

CONTROL ANALÓGICO - UNIDAD 1
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Historia de los sistemas de
control
CONTROL ANALÓGICO
DOC. ING Luz Adriana Guzmán T.
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Historia de los sistemas de
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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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Tomado de:
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• 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.
• Philon de Bizancio, construyó un
sistema de regulación de nivel de
una lámpara de aceite.
• Cuando se consume el aceite del
depósito de la base de la lámpara a
través de b, entra aire en el depósito
el cual evacua aceite a través
de d. En el instante en que el
depósito se llene dejará de entrar
aire en a y dejará de salir aceite
por d. Con este sistema no se
conseguía un nivel constante en el
depósito pero se aseguraba la
recarga de este cuando el aceite se
iba consumiendo.
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CLASE 1 HISTORIA
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• Herón también construye
un
Odómetro,
un
instrumento dedicado a
medir
la
distancia
recorrida por un vehículo.
El sistema utilizado era
muy ingenioso y consistía
en una transmisión que
cada vez que daba una
vuelta la rueda final caía
una
bola
en
un
contenedor. Solo había
que contar el número de
bolas para conocer la
distancia recorrida.
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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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• 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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• Unos de los primeros sistemas realimentados de la historia son los
dispensadores de vino cuyo funcionamiento se describe en los
libros de Herón. El que se observa en la figura se basaba en el
principio de los vasos comunicantes, y conseguía que el volumen de
vino suministrado fuera constante. La válvula f permanecía abierta
hasta que el elemento sensor (el flotador) la cerraba por el efecto
de los vasos comunicantes.
• Solo que subir o bajar el nivel
del flotador para decidir el nivel
del depósito a.
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CONTROL ANÁLOGO
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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.
• Sistema de orientación de
las aspas de los molinos.
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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:
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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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• 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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• Dennos Papin (1647 – 1712)
inventó el primer regulador de
presión para calderas a vapor en
1681. El regulador de presión de
Papin fue una forma de regulador
de seguridad similar a la válvula
de presión de una olla.
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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.
• 1765: Polzunov inventó el
primer
regulador
por
flotación.
• El primer
sistema de
realimentación histórico fue
desarrollado en Rusia, es un
flotador regulador que nos
dice el nivel del agua y fue
inventado por I - Polzunov en
1765.
• El flotador detecta el nivel del
agua y controla la válvula que
tapa la entrada de agua en el
recipiente.
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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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• 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 un
movimiento 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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Los primeros antecedentes
históricos de la máquina de
vapor se remontan a la antigua
Grecia. En el siglo II antes de
Cristo Herón de Alejandría
construyo la primera turbina de
vapor conocida, la conocida
como Aelópila de Herón.
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• 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?
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Representaciones gráficas.
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Conceptos
Enfoque de la ingenieríautilidad
¿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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•
Diagrama general del proceso.
Diagrama detallado del proceso
Diagrama del proceso e instrumentación.
Diagrama de flujo
Diagrama de bloques.
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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.
Acerca de la técnica y la
regulación.
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Componentes de un lazo de
control
Sistema de control de lazo cerrado
(closed loop control system)
Perturbaciones
Objeto a regular
Observación
Influencia
Señal de
regulación
Utensilio de
regulación
Señal de
medición
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Señal
Señal de
regulada
regulación
Comparador
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• Observación de lo que realmente pasa en el objeto a regular.
• Las medidas de regulación se modifiquen y se ajusten a las
observaciones hechas.
Señal
de
Regulador
referencia
Señal de
error
+
Señal
de
entrada
Unidad de
medición
comparador
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+
Unidad
de
regulació
n
bloque

Disturbios
(perturbaciones
)
Señal de
salida
Proceso
Señal medida
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• 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.
Formas de regulación
Sistemas de regulación de lazo
abierto (open loop control system).
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Formas de regulación
Sistemas de regulación de lazo
abierto (open loop control system).
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Componentes de un lazo de
control
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Componentes de un lazo de
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Componentes de un lazo de
control
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Componentes de un lazo de
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Componentes de un lazo de
control
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Componentes de un lazo de
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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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CONTROL ANÁLOGO
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Aplicaciones de la ingeniería de
control
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De acuerdo con sus leyes físicas estos pueden ser:
• Mecánicos
• Eléctricos
• Térmicos
• Fluidos
• Sociales
• Mezcla de sistemas
De 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
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• Ecuaciones diferenciales
• Transformada de Laplace
• Linearización de ecuaciones diferenciales no lineales con las
series de Taylor
Clasificación de los sistemas
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Herramientas matemáticas para
sistemas de tiempo continuo
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