CapÃtulo 1 : Ingeniería de control
Al utilizar la teoría de control para crear maquinaria y sistemas con comportamientos deseados en entornos de control, la ingeniería es una rama de la ingeniería que se ocupa de los sistemas de control.
En el proceso de control de un proceso, se utilizan sensores y detectores para monitorear el rendimiento de salida. Estas mediciones se utilizan para proporcionar retroalimentación correctiva, lo que ayuda a lograr el rendimiento previsto. Los sistemas de control automático están creados para funcionar sin necesidad de intervención humana (como el control de crucero para regular la velocidad de un automóvil). Las operaciones de ingeniería de sistemas de control son de naturaleza multidisciplinaria y se concentran en la implementación de sistemas de control generados principalmente a partir del modelado matemático de una amplia variedad de sistemas.
El desarrollo de la tecnología durante el siglo XX condujo a un aumento importante en el interés en el campo de la ingeniería de control moderna, que es una disciplina académica relativamente reciente. Se puede categorizar ampliamente como un uso de la teoría de control en el mundo real. Desde lavadoras básicas para el hogar hasta aviones de combate de alto rendimiento, la ingeniería de control es crucial para muchos sistemas de control diferentes. Su objetivo es comprender los sistemas físicos en términos de entradas, salidas y numerosos componentes con diferentes comportamientos a través del modelado matemático; construir controladores para esos sistemas utilizando herramientas de diseño de sistemas de control; y aplicar controladores en sistemas físicos que utilicen la tecnología disponible. Dependiendo de la naturaleza del desafío de diseño, la teoría de control se puede aplicar en uno o más de los dominios de tiempo, frecuencia y complejos al modelado matemático, análisis y diseño de controladores de un sistema que puede ser mecánico, eléctrico, de fluidos, químico, financiero o biológico.
El campo de la ingeniería conocido como ingeniería de control se centra en el modelado de una amplia gama de sistemas dinámicos (como los sistemas mecánicos) y el diseño de controladores para que estos sistemas se comporten como el diseñador pretende. La ingeniería de control a veces se considera un tema de la ingeniería eléctrica, aunque dichos controladores no necesariamente tienen que ser eléctricos.
Los sistemas de control se pueden implementar mediante circuitos eléctricos, procesadores de señales digitales y microcontroladores, entre otros dispositivos. Hay varios usos para la ingeniería de control, desde los sistemas de propulsión y vuelo de los aviones comerciales hasta el control de crucero que se encuentra en muchos automóviles modernos.
Los ingenieros de control utilizan con frecuencia la retroalimentación al crear sistemas de control. Para ello, se utiliza con frecuencia un sistema de control PID. Por ejemplo, un vehículo con control de crucero monitorea continuamente la velocidad del vehículo y envía esa información al sistema, que luego modifica el par del motor según sea necesario. La teoría de control se puede utilizar para determinar cómo reacciona el sistema a la retroalimentación cuando ocurre con frecuencia. La estabilidad es crucial en prácticamente todos estos sistemas, y la teoría del control puede ayudar a garantizar que se logre la estabilidad.
Los ingenieros de control también pueden concentrarse en el control de sistemas sin entrada, a pesar de que la retroalimentación es un componente clave de la disciplina. Control de bucle abierto es el término para esto. Una lavadora que sigue un ciclo predeterminado sin usar sensores es un excelente ejemplo de control de circuito abierto.
Hace más de dos mil años, se crearon los primeros mecanismos de control automático. Alrededor del siglo III a.C., se afirma que el reloj de agua del antiguo Ktesibios en Alejandría, Egipto, fue el primer sistema de control de retroalimentación jamás descubierto. Al controlar el nivel de agua de un buque y, posteriormente, su flujo de agua, mantenía el tiempo. El hecho de que en 1258 se siguieran fabricando relojes de agua con un diseño comparable en Bagdad indica que este invento fue incuestionablemente eficaz. Muchos artilugios automáticos se han empleado a lo largo de la historia para llevar a cabo tareas necesarias o simplemente para divertir a las personas. Estos autómatas, que eran comunes en Europa en los siglos XVII y XVIII y presentaban figuras bailando realizando la misma tarea repetidamente, son ejemplos de control de bucle abierto. El regulador de temperatura de un horno atribuido a Drebbel, alrededor de 1620, y el regulador centrífugo de bola volante utilizado para regular la velocidad de las máquinas de vapor por James Watt en 1788 son hitos entre los dispositivos de control automático de retroalimentación, o de "circuito cerrado".
James Clerk Maxwell usó ecuaciones diferenciales para describir el sistema de control con el fin de explicar las inestabilidades mostradas por el regulador de la bola de flyball en su artículo de 1868 "Sobre los gobernadores". Esto marcó el comienzo del control matemático y la teoría de sistemas, e ilustró la importancia y el valor de los modelos y enfoques matemáticos en la comprensión de eventos complicados. Aunque antes, los elementos de la teoría de control no habían sido presentados en el análisis de Maxwell con la misma fuerza y convicción.
Durante el siglo siguiente, la teoría del control se desarrolló significativamente. Los sistemas dinámicos más complejos que los que el regulador de flyball original podía estabilizar ahora pueden ser controlados gracias a nuevos métodos matemáticos, así como a mejoras en la tecnología electrónica e informática. En las décadas de 1950 y 1960, se lograron avances en el control óptimo, y en las décadas de 1970 y 1980, se lograron avances en los enfoques de control estocástico, resistente, adaptativo y no lineal. Las aplicaciones de los métodos de control han permitido desarrollar aviones más seguros y eficaces, satélites de comunicaciones, motores de automóviles más limpios y procesos químicos más limpios y eficientes.
La teoría de control se estudió como parte de la ingeniería eléctrica porque con frecuencia es posible explicar fácilmente los circuitos eléctricos utilizando los enfoques de la teoría de control antes de que la ingeniería de control se convirtiera en un tema distinto. Las primeras relaciones de control utilizaban una entrada de control de voltaje para representar una salida de corriente. Los diseñadores se vieron obligados a utilizar sistemas mecánicos menos efectivos y de respuesta lenta, ya que no había tecnología suficiente para integrar sistemas de control eléctrico. El regulador es un controlador mecánico altamente eficiente que todavía se utiliza con frecuencia en algunos proyectos hidroeléctricos. Más tarde, antes de la electrónica de potencia contemporánea, los ingenieros mecánicos desarrollaron sistemas de control de procesos para fines industriales empleando dispositivos de control neumáticos e hidráulicos, muchos de los cuales todavía se utilizan en la actualidad.
Un sistema de control utiliza lazos de control para administrar, ordenar, dirigir o gobernar el comportamiento de otros equipos o sistemas. Puede variar desde una sola caldera controlada por termostato en una casa unifamiliar hasta sistemas de control industrial masivos que se utilizan para administrar líneas de producción completas. La ingeniería de control se utiliza para crear los sistemas de control.
Un controlador de retroalimentación se utiliza para controlar automáticamente un proceso u operación para un control constantemente modulado. El sistema de control compara el valor deseado o el punto de ajuste (SP) con el valor o el estado de la variable de proceso (PV) que se está controlando y utiliza la diferencia como señal de control para llevar la salida de la variable de proceso de la planta al punto de ajuste.
La lógica de software, como la que se encuentra en un controlador lógico programable, se utiliza para la lógica secuencial y combinatoria.
El control de los sistemas dinámicos en los procesos y la maquinaria de ingeniería está bajo el ámbito de la ingeniería de control y las matemáticas aplicadas. El objetivo es crear un modelo o algoritmo que controle cómo se aplican las entradas del sistema para mover el sistema hacia un estado deseado y, al mismo tiempo, minimizar cualquier retraso, sobreimpulso o error de estado estacionario y garantizar un nivel de estabilidad del control; Esto se hace con frecuencia con la intención de lograr cierto nivel de optimalidad.
Para ello, se necesita un controlador con el comportamiento correctivo necesario. La variable de proceso regulada (PV) es monitoreada por este controlador, y su valor se compara con un punto de referencia o ajuste (SP). La señal de error, también conocida como error SP-PV, se aplica como retroalimentación para generar una acción de control para llevar la variable de proceso controlada al mismo valor que el punto de ajuste. Es la diferencia entre los valores reales y deseados de la variable de proceso. El estudio de la controlabilidad y la observabilidad es otro componente. La automatización diseñada con la ayuda de la teoría del control ha transformado la industria, la aviación, las comunicaciones y otras industrias y ha dado lugar a otras nuevas como la robótica.
El diagrama de bloques, un tipo de diagrama, se usa con frecuencia extensivamente. Utiliza las ecuaciones diferenciales que caracterizan el sistema para crear un modelo matemático de la relación entre la entrada y la salida conocido...
