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La automática ante el siglo XXI

Javier Aracil Escuela Superior de Ingenieros

Universidad de Sevilla

Es un lugar común decir que vivimos una época de crecimiento exponencial de la técnica, como de tantas otras cosas. Si contemplamos los cambios producidos a lo largo del pasado siglo XX y pensamos en los que nos pueda traer el próximo, seríamos muy osados si no practicásemos la contención a la hora de hacer previsiones concretas. Pero, aún con ello, es inevitable postular la creciente invasión por la automática de las distintas ramas de la ingeniería, aunque es aventurado enumerar los prodigios concretos que derivarán de ello. Sin embargo, sí procede en un Congreso de esta naturaleza hacer algunas reflexiones sobre aspectos muy generales de la creciente importancia que la automática va a tener en nuestra sociedad, ilustrando así cómo la información penetra en la propia concepción de las máquinas, al permitirles alcanzar cotas crecientes de autogobierno.

La automática es una rama de la Ingeniería nacida a lo largo del siglo XX y que está llamada a tener un desarrollo creciente y progresivo en los tiempos venideros. En su acepción más corriente, automático alude al mecanismo o aparato que actúa sin intervención humana, que posee en sí mismo el elemento que determina su movimiento. Esta acepción resulta vaga a nuestros propósitos. Se puede aplicar a toda máquina que posea un cierto grado de autonomía; por ejemplo, un automóvil que posee autonomía energética o motriz. En automática, lo que se reclama es el gobierno autónomo del comportamiento. Este gobierno se pretende, además, que sea relativamente insensible a las perturbaciones que se producen en el entorno en el que está inmersa la máquina.

Resulta curioso reseñar que el término «automática» está íntimamente asociado a la obra de un gran ingeniero español, Leonardo Torres Quevedo, hasta el extremo de que cabe asignarle la paternidad de su adopción en sentido moderno1, es decir, como sustantivo que _________________

1 En inglés, que en la actualidad es la lingua franca en el mundo científico y técnico, automatics es un término muy poco usado como sustantivo, que es como lo preconiza Torres Quevedo. Sin embargo, automatic tiene un uso muy extendido como adjetivo en automatic control.

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designa un cuerpo de conocimientos, y no como mero adjetivo que se predica del funcionamiento de ciertas máquinas. En efecto, sus «Ensayos sobre Automática» constituyen una interesante aportación para esta disciplina, cuya relectura resulta extremadamente procedente para comprender su posterior desarrollo, tanto en lo que tiene de aportaciones positivas, como en subrayar la carencia de suficiente visión de la relevancia del concepto de realimentación, y los problemas de estabilidad inherentes a su presencia2.

Para Torres Quevedo la automática se ocupa de la construcción de autómatas, máquinas a las que considera dotadas de una vida de relación con el entorno que las rodea. En este sentido, la concepción de Torres Quevedo resulta excepcionalmente moderna y precursora, ya que hoy entendemos el control automático como la interacción efectiva con el entorno: una máquina o proceso está automatizado si su comportamiento es el deseado con independencia de las perturbaciones del entorno; así un avión en vuelo, con el piloto automático, o una gran factoría química automatizada, son ejemplos de interacciones artificiales efectivas con el entorno para alcanzar un objetivo determinado – en un caso el vuelo con la trayectoria deseada, y en el otro el funcionamiento autónomo del proceso manteniendo constantes las variables (presiones, temperaturas, caudales...) deseadas –. Para que esta interacción sea efectiva, las máquinas automatizadas deben estar dotadas de sentidos, instrumentos o aparatos de medida con los que detectar las magnitudes cuyo comportamiento es relevante para los fines perseguidos; también deben tener miembros mediante los cuales actuar sobre la máquina; y por último, y resumiendo mucho, Torres Quevedo postula, empleando un término muy sugerente, que deben tener discernimiento, de modo que a partir de las impresiones que reciben decidan las actuaciones adecuadas. Cada una de estas funciones – medir, decidir y actuar – presenta problemas tecnológicos específicos. Por ejemplo, el problema de la percepción puede ser cualquier cosa menos trivial. En efecto, la medida de una magnitud para regularla, por ejemplo una temperatura, consiste en disponer de un instrumento adecuado para hacerlo. La bondad de la medida dependerá, en último extremo, de la precisión del instrumento; cuestión que en algunos casos puede ser nada sencilla, ya que la disposición de instrumentación adecuada, que produzca medidas de la precisión requerida (con un bajo nivel de ruido) de forma continua puede ser algo complejo y costoso; pero, en todo caso, conceptualmente se trata de algo relativamente simple: medir una magnitud. Otra cosa sucede en los sistemas de visión que cada día tienen una mayor implantación en una rama hermana – a veces indistinguible – de la automática, que es la robótica. La complejidad de los algoritmos para el reconocimiento _____________________

2 Los «Ensayos sobre Automática» de Torres Quevedo se publican por primera vez en la Revista de la Academia de Ciencias, en 1914. Su traducción al francés aparece el año siguiente con el título Essaís sur l’Automatique en la Revue Génerale des Sciences Pures et Appliquées; volumen 2: 601-611 En la actualidad son accesibles al lector español en una edición realizada por INTEMAC, 1966. También se reproducen en el libro Leonardo Torres Quevedo, edición de Francisco González Posada, Biblioteca de la Ciencia Española, Fundación del Banco Exterior, 1992. Lamentablemente, en este último libro, faltan las figuras.

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de formas constituye un reto posiblemente inagotable para los ingenieros que se ocupan de estas cuestiones3.

La caracterización que hace Torres Quevedo de los autómatas, y de la automática, hoy puede resultarnos un poco ingenua, pero en ella se encuentran en germen conceptos que debidamente reelaborados constituyen el núcleo de esta disciplina. La idea fundamental que subyace al planteamiento de Torres Quevedo es que un autómata actúa procesando las impresiones que recibe y decidiendo, a partir de ese procesamiento, una actuación. Ya hemos comentado los problemas tecnológicos que puede presentar la percepción. Sin embargo, el gran problema es el del «discernimiento», la adopción de una decisión, mediante el procesamiento de las señales percibidas, con relación a la actuación adecuada a los fines perseguidos. El problema con el que se encontró Torres Quevedo es que pretendió resolver este procesamiento básicamente con tecnología mecánica (en algunos casos apunta la incorporación de electroimanes) y esa tecnología era manifiestamente insuficiente para los propósitos que Torres Quevedo pretendía. Ya durante el siglo anterior, Charles Babagge había fracasado en el intento de construir con tecnología mecánica una máquina calculadora, en cuya concepción se apuntan los rasgos que caracterizarán a los modernos ordenadores electrónicos.

Pero el problema no es sólo de tecnología adecuada (de hecho hay servomecanismos con tecnologías hidráulicas o neumáticas). Además de los elementos básicos que vislumbró Torres Quevedo: los sensores, los actuadores y el procesador de señal, se requiere una forma peculiar de organizarlos mediante la estructura de realimentación4. A ella se asocia el diagrama de la figura l, en la que se representa esquemáticamente esta estructura, que constituye el concepto básico sobre el que se ha construido la rama de la ingeniería conocida como automática, o más precisamente como control automático. Esta estructura es esencial para conseguir estabilizar el comportamiento de los sistemas automatizados, y reducir los efectos de las imprecisiones y de las perturbaciones a los que están sometidos. _____________________

3 No resulta extraño que Francis Crick en su conocido libro La búsqueda científica del alma, Debate. 1994, haya escogido la percepción visual como el proceso fisiológico con el que abordar el problema de la conciencia. De su lectura se desprende qué poco sabemos de cómo se entrelazan la psicología de la visión y la neurofisiología, procesos que, de alguna forma, se trata de emular en los sistemas de visión de los robots. Posiblemente ello nos lleve a concluir que, lo mismo que sucede con los aviones, la ubicación estricta de la naturaleza tiene un interés muy secundario a la hora de plasmar las concepciones de un ingeniero.

4 En la literatura se encuentra también el término retroalimentación para referirse a la realimentación. Sin embargo, se puede argumentar de muchas formas a favor del término realimentación. La más importante es la propiedad de este último término, en el sentido de que la partícula re significa en castellano «volver a» y si se observa la estructura de la figura 1 se comprende que lo que se hace es actuar, medir el resultado de la actuación, y «volver a» actuar a partir de la medida del resultado de la actuación, y así indefinidamente. Es, además, el término adoptado desde el principio por los ingenieros en automática y en telecomunicaciones. El libro de A. Colino Teoría de las Servomecanismos, publicado en 1950, por el Instituto Nacional de Electrónica del CSIC, propone la adopción de este término como traducción del inglés feedback. Es notable que el autor de este libro haya llegado a ser Académico Numerario de la Real Academia de la Lengua. Posteriormente empieza a aparecer en la literatura el término retroalimentación, de uso injustificado, por existir ya una traducción completamente aceptada en los medios técnicos; por ser menos adecuado – retro se ajusta menos que re a lo que se pretende expresar – ; y, ¿por qué no decirlo?, porque resulta malsonante.

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Fig. 1. Estructura de realimentación

En la figura 1 se pone de manifiesto cómo si pretendemos gobernar de forma autónoma el comportamiento de un determinado proceso tenemos que tomar una serie de medidas de las magnitudes relevantes, mediante sensores adecuados. Estas medidas serán procesadas en un órgano de control que es el encargado de decidir, a partir de ellas, las actuaciones que deben tomarse sobre el proceso. En la actualidad este órgano de control está formado por un procesador electrónico de señales: es decir, por un ordenador. Las actuaciones dan lugar a órdenes que motivarán la operación de actuadores (válvulas, motores...) mediante los cuales se gobierna el comportamiento del proceso.

En realidad, lo que se consigue con una estructura como la de la figura 1 es sustituir al agente humano que observando las medidas del proceso (temperaturas, presiones...) actuase, de acuerdo con ciertos protocolos, sobre los actuadores correspondientes. Esta labor es extremadamente tediosa y rutinaria. Como anécdota cabe recordar que a principios de este siglo, a los operarios encargados de llevarla a cabo se les dotaba de una banqueta con una sola pata, para que pudieran tener un cierto descanso, pero evitando que se durmiesen ante lo aburrido de su labor.

Así dichas las cosas, la automatización de un determinado proceso se reduce a la elección de unos sensores, de unos instrumentos de medida que suministren unas señales adecuadas, y al procesamiento de estas señales para generar otras que activen determinados actuadores. Una vez realizada la elección de estos elementos tecnológicos (instrumentos de medida y actuadores), el problema parece reducirse al «discernimiento», por usar nuevamente la feliz expresión de Torres Quevedo, en el que en último extremo reside el procesamiento de las señales de los sensores mediante el que se decide la actuación. Este procesamiento deberá tener como objetivo el conseguir, en principio, que se alcancen

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determinadas metas, a ser posible de forma óptima (de acuerdo con un cierto criterio de funcionamiento, cuando es posible formularlo explícitamente; consumo mínimo de energía, desviación cuadrática media mínima de los objetivos perseguidos, rendimiento máximo...). Sin embargo, el problema se complica extraordinariamente porque la estructura de realimentación es una estructura causal circular – como se hace bien patente observando la figura 1, en la que empezando en cualquier punto, y siguiendo las flechas, se llega a este mismo punto después de haber atravesado todos sus elementos – y este hecho determina la aparición de importantes problemas dinámicos de estabilidad. En efecto, en una cadena causal circular, si se producen retrasos en la transmisión de información – cosa que sucede siempre –, se producirán desajustes en las decisiones tomadas que inevitablemente conducirán a un deterioro de las prestaciones en el funcionamiento del proceso, por ejemplo por la aparición de oscilaciones. Este es un hecho perfectamente conocido, y del que todos hemos tenido experiencia incluso en nuestra vida doméstica.

Este hecho ya fue descubierto en el siglo XIX, en la máquina de vapor, que es una máquina de singular importancia en la historia de la técnica, No sólo es una máquina trascendental para la Revolución industrial, sino que en su estudio está el germen de dos disciplinas: la termodinámica y la automática. La primera en sus aspectos energéticos; la segunda al ser una máquina dotada de estructura de realimentación, ya que el regulador a bolas de Watt actúa como un sensor con el que se mide la velocidad de giro de la máquina, medida que se traduce en el movimiento de un anillo deslizante, movimiento que, a su vez, puede emplearse para modificar la apertura de la válvula que alimenta la máquina de vapor (figura 2), y así dosificar la inyección de vapor, de modo que la velocidad de la máquina permanezca aproximadamente constante, en el valor deseado, con independencia de variaciones en la carga5.

Los problemas dinámicos asociados a la estructura de realimentación pueden limitar la posibilidad de automatizar determinados procesos. Es lo que sucede, en particular, cuando el proceso a automatizar es inestable. Por ejemplo, un reactor – que puede ser nuclear – una vez cebado constituye un proceso inestable con comportamiento explosivo. En principio, mediante una estructura de realimentación adecuada, se puede controlar ese comportamiento explosivo y mantenerlo dentro de límites convenientes. Sin embargo, sabemos que toda actuación está acotada (toda válvula tiene un máximo de apertura, todo motor tiene un máximo de velocidad...), ya que ninguna magnitud puede alcanzar un valor infinito. Es decir, los actuadores pueden saturarse; y si lo hacen, es como si se cortase la

_____________________ 5 Estos problemas de estabilidad dinámica de los sistemas dotados de estructura de realimentación son los que

aparentemente pasaron inadvertidos a Torres Quevedo y los que, por ello, limitan el valor de sus aportaciones a la automática.

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Fig. 2. Esquema clásico de un regulador a bolas de Watt: el giro del eje E imprime una fuerza centrífuga en las bolas, que se traduce en un deslizamiento del anillo A, que a su vez actúa sobre la

válvula V que alimenta la máquina de vapor.

cadena de realimentación. El actuador no llega a producir la actuación que se requeriría para controlar el proceso. Este último queda sometido a la señal saturada, que es una constante y que es insuficiente para controlarlo. Entonces el comportamiento explosivo acaba por ser el dominante: el carácter inestable de la planta se manifiesta sin control y el proceso deja de poder ser controlado. Es lo que sucedió en Chernobil, en donde se pusieron claramente de manifiesto las limitaciones de poder automatizar determinados procesos inestables6. Las consecuencias de ello son de todos conocidas.

Hoy estamos empezando a comprender que en casos como el del control de plantas inestables, habida cuenta de la saturación de los actuadores, lo más que podemos hacer es aspirar a ampliar lo más posible la cuenca de atracción del punto de operación del proceso. Ello obliga al desarrollo de métodos de diseño de controladores en los que estén presentes no sólo consideraciones de comportamiento local en torno al punto de operación, sino consideraciones de tipo global. Estos métodos se desarrollan con una considerable interacción con los estudios matemáticos del comportamiento de sistemas dinámicos no _____________________

6 El ingeniero nuclear, al imputar responsabilidades a la catástrofe, pondrá más énfasis en las deficiencias estructurales de la planta – defectos de concepción y construcción – que en el tipo de problemas que se acaban de apuntar. Es obvio que esos defectos de construcción debieron darse pero también lo es que el sistema de control que había permitido que durante muchos años el sistema funcionase adecuadamente, no fue capaz de reaccionar convenientemente en unas determinadas circunstancias. El problema de Chernobil es de una enorme complejidad y constituye una muestra, entre otros muchísimos problemas, de la imposibilidad de controlar un proceso inestable con actuadores que se saturan. En este sentido es un ejemplo carismático para el ingeniero de control, como en otras deficiencias puede serlo para otras ramas de la ingeniería.

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lineales, a los que aportan un sugestivo campo de aplicaciones prácticas. La complementación de los estudios locales, con estudios globales, en la automática, como cuerpo de conocimientos teóricos, es uno de los desarrollos que sin duda presenciaremos en los años próximos7.

Nuestro siglo nos ha deslumbrado con la capacidad de controlar la naturaleza – tanto la propiamente «natural» como la artificial que es, de hecho, en la que cada vez estamos más inmersos –, en la medida en que nuestros conocimientos sobre ella nos lo han permitido, y así seguirá siendo presumiblemente en el próximo. Pero, al mismo tiempo, nos ha marcado límites insoslayables en nuestra capacidad de conocerla y actuar sobre ella. Hay toda una cadena de resultados que establecen unas cotas a nuestra capacidad de conocimiento: la relatividad de Einstein, el principio de incertidumbre de Heisenberg, el teorema de incompletitud de Gödel, y las limitaciones en la capacidad predictiva en los sistemas con comportamiento caótico. En automática, que pensábamos que con la sencilla estructura de realimentación de la figura 1 podríamos hacer que todas las máquinas se autogobernasen, hemos visto que más allá de la disponibilidad de dispositivos técnicos de medida y actuación adecuados, existen problemas conceptuales de comportamiento dinámico que establecen límites a la posibilidad de explotar la estructura de realimentación para controlar determinados procesos. En particular, la combinación de procesos a controlar que sean inestables, con la inevitable saturación de los actuadores, está en el origen de limitaciones fundamentales a la capacidad de explotar la estructura de realimentación para diseñar máquinas que se autocontrolen. Hay otras limitaciones de naturaleza más elaborada a las que sería complicado referirse aquí8. Es conveniente insistir en que estas limitaciones tienen un carácter sistémico; están originadas por la estructura – forma de organizarse los elementos – del sistema y no por las propiedades de estos elementos en sí mismos.

Se dirá que estos problemas pueden sortearse mediante sistemas de supervisión que actúen cuando se produzcan fenómenos del tipo de los que acabamos de referir. En realidad, lo que se postula con ello es establecer una estructura de realimentación que fiscalice el comportamiento de la anterior. Se puede decir que los problemas que presenta la realimentación pueden tratar de resolverse con más realimentación, aunque ello conduzca a una cadena sin fin. Sin embargo, las realimentaciones adicionales abren nuevas posibilidades de que el sistema manifieste formas de inestabilidad, agravadas por el hecho

_____________________ 7 En este sentido los trabajos desarrollados en torno a la teoría de bifurcaciones están llamados a tener un

interés creciente para el análisis de la complejidad de comportamientos que puede presentar un sistema de control no lineal. Muestras sencillas, pero generales, de ello pueden verse en las publicaciones: Pagano, Ponce, Aracil «Bifurcation Analysis of Time-delay Control Systems with Saturation», Intemational Jourrnal of Bifurcations and Chaos, VoL 9, N.º 6, June, 1999, 1089-1110; Aracil, Ponce, Álamo «A Frequency Domain Approach to Bifurcations in Control Systems with Saturation», International Journal of Systems Science, Vol. 31, N.º 10, 2000, 1261 – 1271, y Aracil, Gordillo, Álamo «Global Stability Analysis of Second-Order Fuzzy Control Systems», en Palm, Driankov and Hellendoorn (eds.) Advances in Fuzzy Control, Springer-Verlag, 1998, 11-31.

8 K.J. Aström, «Limitations on Contml Systems Performance».

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de que las nuevas realimentaciones conducen inevitablemente a sistemas no lineales. No obstante. en ciertos casos, con ello se pueden obtener mejores resultados, pero se comprende que en todo caso la esencia del problema no se altera. El control de plantas inestables, habida cuenta de la inevitable saturación de los actuadores, conduce inevitablemente a diseños de controladores que no pueden controlar todo tipo de perturbaciones al que se vean sometidos los correspondientes procesos.

La conjunción de estructuras de realimentación y del carácter dinámico de los elementos que componen un proceso da lugar a complejas formas de comportamiento que escapan a la simple intuición que subyace a las formas primarias de la estructura de realimentación: medir, decidir, actuar, y volver a medir; y así indefinidamente. La estructura de realimentación, junto con los retrasos en la transmisión de información, o en la respuesta de determinados componentes del sistema, así como características no lineales de los elementos componentes están en el origen de complejas formas de comportamiento, que incluyen oscilaciones periódicas o aperiódicas (caos), así como comportamientos catastróficos, cuyo estudio y análisis constituye una fuente de problemas a la que no se vislumbra el final. La aparente simplicidad de la estructura de realimentación esconde posibilidades patológicas de comportamiento que hacen que la simple cadena de realimentación pueda conducir a formas de comportamiento indeseables, por lo inestables u oscilatorias, cuya solución constituye precisamente el dominio propio de la ingeniería de control. En todo caso, se trata de un dominio en el que tenemos que colaborar ingenieros de control y matemáticos especialistas en teoría de sistemas dinámicos9. Los unos planteando adecuadamente los problemas en términos matemáticos; y los otros contribuyendo a analizarlos.

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La estructura de realimentación representa un esquema enormemente sugestivo del proceso de toma de decisiones, más allá de su utilización para el diseño de máquinas. De hecho, el concepto de realimentación ha trascendido el dominio de la ingeniería en el que se ha gestado, para ser empleado en otros muchos, incluido el cotidiano. Es acaso uno de los pocos conceptos surgidos de la ingeniería moderna que han sido incorporados al lenguaje corriente. En efecto, en toda actuación para alcanzar un cierto objetivo se compara lo que realmente se tiene con lo que se quiere, y a partir de la eventual discrepancia se decide una actuación para llevar las cosas al estado requerido. Es obvio que el posterior enunciado puede interpretarse también mediante el diagrama de la figura 1, por otra parte, en los procesos naturales en los que se pretende mantener constante una determinada magnitud, por ejemplo en los seres vivos, también es posible explicar ese comportamiento mediante una estructura de realimentación. De hecho, los seres vivos se autogobiernan para mantener _____________________

9 Véase en este mismo Congreso la comunicación de Luis Alberto Ibort Latre, de la Universidad Carlos III de Madrid, sobre «Sistemas dinámicos y robótica».

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constantes sus parámetros vitales, y ello lo hacen con estructuras de realimentación semejantes a las empleadas por los ingenieros para diseñar sistemas de control automático.

El proceso de toma de decisiones implícito en una estructura de realimentación como la de la figura 1 invita a sugerentes reflexiones. La adopción de una decisión, para gobernar el comportamiento de un determinado sistema, implica alguna forma de previsión de cuáles serán los resultados de las posibles acciones a tomar, para elegir aquella que sea la más conveniente. Por tanto, el órgano de decisión deberá disponer de alguna forma de representación del comportamiento del proceso sobre el que va a decidir las actuaciones; o bien, en el establecimiento de la estrategia de actuación deberá tenerse presente, aunque sea de forma implícita, la representación del comportamiento del proceso sobre el que se va a actuar. Toda acción de gobierno se hace en función de la previsión de los resultados de esa acción, y para prever estos resultados se requiere alguna forma de representación de aquello sobre lo que se actúa. Esta representación se hace mediante un modelo matemático que constituye un sumario abstracto de los posibles comportamientos del sistema a controlar, en función de las posibles solicitaciones a las que sea sometido. Se comprende así el papel trascendental que tienen los modelos matemáticos en la automática. De forma implícita o explícita al órgano de control hay que dotarlo de una capacidad de previsión de los resultados de sus actuaciones.

Por ello en torno a la automática se ha desarrollado una teoría de sistemas que suministra las herramientas conceptuales con las que representar los diferentes comportamientos que las máquinas objeto de automatización (o, en general, más allá de la automática, en los procesos de toma de decisiones, o en los sistemas en cuya representación del comportamiento aparece la estructura de realimentación: sistemas sociales, económicos y ecológicos) puedan presentar. Esa teoría de sistemas es extremadamente rica y variada, ya que las formas de comportamiento que pueden producirse así lo son. Por ejemplo, las variables involucradas en el proceso pueden variar de forma continua o discreta, por lo que los modelos matemáticos correspondientes lo serán de variables continuas (lo que nos conduce a un campo de las matemáticas relativamente maduro, como es el de las ecuaciones diferenciales) o a sistemas de eventos discretos (para los que se han tenido que desarrollar métodos formales específicos como son, por ejemplo, las redes de Petri). La presencia de imprecisiones en el conocimiento del comportamiento de los procesos ha llevado a desarrollar unas formalizaciones borrosas10 que pretende captar con un determinado formalismo las imprecisiones en los límites de la definición de determinados conceptos. Curiosamente estos métodos de formalización han alcanzado éxitos considerables en su aplicación a la automática. En todo caso se constata una enriquecedora variedad en las formas de representación de la realidad – del aspecto de la realidad que se trata de gobernar – que conduce a una manifestación explícita de pluralismo que quizás no _____________________

'º Conocidas también con su denominación inglesa fuzzy.

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haya recibido toda la atención que merece, pero que cuando pensamos en el próximo siglo es indudable que va a ser objeto de una especial consideración. Tenemos distintas formas de representar la realidad – descripciones alternativas – que no necesariamente se reducen a una sola, o derivan de un árbol común, y que sin embargo son efectivas a la hora de servir de base a procesos de decisión que, en la práctica, conducen a los comportamientos deseados.

Así pues, la forma. más efectiva de gobernar el comportamiento de un sistema (sea una máquina, un proceso social, un sistema ecológico...) es mediante una estructura de realimentación en la que partiendo de la información sobre ese sistema se decidan las actuaciones a tornar sobre el proceso. Por ello Norbert Wiener postuló el término cibernética para designar la ciencia de control y la comunicación en el animal y en la máquina, mediante la estructura de realimentación. El término cibernética ha tenido una fortuna dispar y hoy en día carece de buena acogida en los medios académicos. Sin embargo, las ideas de Wiener continúan teniendo todo su vigor.

El carácter ubicuo de la estructura de realimentación ha llevado a proclamarla como un ejemplo paradigmático de una estructura sistémica elemental a la que asociar una propiedad emergente de comportamiento; es decir, una propiedad que se puede explicar causalmente por la forma de organizarse los elementos del sistema, pero que no lo es de ninguno de los elementos considerados aisladamente. Así la propiedad de autorregulación de un sistema dotado de estructura de realimentación, sea una máquina, un servomecanismo, un proceso homeostático en un ser vivo, o un proceso autorregulado en un sistema social, depende de la forma de organizarse los elementos constituyentes, mediante una estructura causal circular, con influencias que actúen de forma adecuada para que la realimentación sea autorreguladora, para lo que se requiere que la realimentación sea negativa, lo que representa que la actuación sea correctora; es decir, tienda a atenuar las perturbaciones que se producen a lo largo de la cadena11.

Los estudios relativos a la estructura de realimentación han servido de inspiración a una teoría de sistemas que, en la actualidad, no se encuentra todavía fraguada, pero que no es aventurado postular que en los tiempos venideros alcanzará un considerable desarrollo. Es un legado de la automática que trasciende el campo de la ingeniería y constituye una de las promesas de orden conceptual que no resulta demasiado aventurado pronosticar que producirá resultados interesantes en el siglo XXI. En esa teoría de sistemas juega un papel importante la posibilidad de explicar las características de comportamiento complejo mediante las estructuras de realimentación subyacentes; sean estructuras negativas, que producen comportamientos autorreguladores; o sean estructuras de realimentación positiva, a las que se asocian comportamientos de crecimiento explosivo, o de colapso. Otra _____________________

11 Existe también la estructura de realimentación positiva, que se comporta como un círculo vicioso en el cual las perturbaciones se multiplican, produciendo comportamientos de carácter explosivo. El análisis del comportamiento de los sistemas mediante la interacción de estructuras de realimentación positiva y negativa es un sugestivo campo de investigación que está en la base de métodos para construir modelos de simulación del comportamiento de sistemas.

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estructura sistémica básica es la de reacción-difusión, debida a Turing, que permite explicar los procesos de diferenciación en medios inicialmente homogéneos12. Esta estructura, sin embargo, no ha tenido, hasta la fecha especial interés para la automática.

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La automática es una rama transversal de la ingeniería. Rompe con los compartimentos estancos tradicionales: ingeniería mecánica, ingeniería eléctrica, ingeniería química, ingeniería aeronáutica, etc. En todos ellos se aplica, de una manera u otra, el control automático. En ingeniería eléctrica, en la regulación de máquinas eléctricas o en el de la frecuencia-potencia de la red eléctrica; en la industria aeronáutica en los múltiples servo-mecanismos que forman parte de un avión; en la industria química, en la regulación automática de las magnitudes involucradas en un proceso químico (temperatura, presión, caudales...); y así en todas las ramas de la ingeniería. Se ha dicho de ella, con gran propiedad, que es una ingeniería oculta, porque subyace al gobierno autónomo de los procesos y máquinas que forman el mundo artificial en el que vivimos, con independencia de la tecnología con la que hayan sido construidos. Se ha empleado la metáfora de sistema nervioso de la máquina, para el sistema de control automático, ya que este último cumple funciones análogas a las de aquél en los seres vivos. Transmite la información que captan los sensores, la procesa en un órgano central, procesamiento que conduce a la toma de decisiones, decisiones que se ejecutan una vez transmitidas por el propio sistema nervioso. Lo que como metáfora podía ser aceptable, e incluso esclarecedor, ha llevado a la abusiva adopción del término «inteligente» para lo que no es sino la adopción de estructuras de realimentación con las que realizar el tipo de procesos que estamos comentando.

La adscripción de comportamiento supuestamente inteligente a determinadas máquinas o procesos ha facilitado la penetración comercial de los correspondientes productos, lo que ha facilitado la difusión de este tipo de denominación. Prescindiendo de una digresión lingüística sobre lo apropiado o no de tal uso – que por supuesto llevaría a descartarlo – sí está claro que mediante estructuras de realimentación se pueden obtener formas de comportamiento dotadas de una plasticidad y una riqueza realmente sorprendentes. Se puede conseguir un comportamiento autónomo en circunstancias muy variables lo que produce, en las máquinas dotadas de estos sistemas de control, la impresión de que son capaces de aprender sobre el entorno en el que están inmersas, y de adaptarse, en cierta medida, a él. Se pueden concebir órganos de control que poseen la capacidad de adaptarse a entornos variantes, mediante una capacidad de aprender de su propia experiencia. Esto se consigue añadiendo a las estructuras de realimentación básicas, estructuras adicionales que engloben aquéllas, como por ejemplo la representada en la figura 3. _____________________

12 Véase, por ejemplo, ARACIL, J. y GORDILLO, F., Dinámica de sistemas, Alianza Editorial, 1997.

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Fig. 3. Estructura de adaptación de un controlador por realimentación

De este modelo. el sistema presenta un comportamiento mediante el que aparenta aprender, ya que el propio controlador evoluciona para realizar más efectivamente su labor gracias al conocimiento adquirido de su comportamiento anterior. En el caso más simple, el mecanismo adaptativo limita su labor a modificar el valor de determinados parámetros del controlador para que éste funcione de la forma más efectiva en un entorno variable. Éste sería el caso representado en la figura 3, en el que el mecanismo de adaptación, alimentado por las medidas de los sensores x y por las señales de actuación u, decide modificar determinados parámetros del controlador, para que éste adapte el comportamiento del sistema a las condiciones variables del entorno. El registro de las señales x(r) y u(t) (de los valores pasados de esas señales) constituye el registro de la «experiencia pasada» del sistema que, convenientemente procesada, le lleva a gobernar su comportamiento. Análogamente, pero de forma mucho más compleja, un robot inmerso en un medio en el que se cambia la posición de los obstáculos necesita adaptar la representación visual del entorno a estos cambios. La habilidad para aprender comporta aspectos tales como la adquisición de conocimiento, la representación de ese conocimiento y una cierta capacidad de inferencia. En todo caso, las máquinas dotadas de una incipiente capacidad de aprendizaje muestran formas de comportamiento a las que, como ya hemos comentado, abusivamente se califica de inteligente, pero que superficialmente no resulta extraño que se use este término por lo sorprendente de los comportamientos que se pueden alcanzar.

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Y así en los próximos años veremos desarrollarse un sorprendente y creciente campo de aplicaciones en cuya concepción, y funcionamiento, estarán presentes los principios de la automática que estamos comentando. Por citar algo, están empezando a desarrollarse, y sin duda tendrán un gran desarrollo futuro, los sistemas «inteligentes» para la conducción por autopistas que incluyen sistemas instalados en los automóviles, que incorporan bases de mapas y sistemas de posicionamiento global; estos sistemas ya disponibles en algunos países (Japón y Estados Unidos) se verán complementados con algoritmos de decisión de rutas óptimas y con la posibilidad de acceder a información acerca de las condiciones de tráfico y el estado de las carreteras; a ello se añadirán sistemas de gestión de tráfico que permitan optimizar el flujo e incluso sistemas de frenado automático que utilicen sensores de proximidad. Otro campo en el que la presencia de sistemas realimentados va a ser dominante es el de la mecatrónica que resulta de una combinación de mecánica, electrónica y control. Por último, y en esta rápida e incompleta selección de ejemplos, cabe mencionar los sistemas microelectromecánicos en los que la automática juega un papel esencial. Se trata sólo de algunas muestras, ni siquiera las más representativas, de la penetración que los sistemas automáticos van a tener en todas las ramas de la ingeniería.

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Como ilustración de las peculiaridades y problemas que presenta la estructura de realimentación vamos a considerar un artefacto particularmente significativo para la ingeniería de control, que es el llamado péndulo invertido. Se trata de un motor cuyo eje es vertical y al que es solidario un brazo del que cuelga un péndulo, que puede oscilar libremente. En la figura 4 se representa este sistema: el cilindro vertical es el motor, que hace girar el brazo un ángulo φ. La posición del péndulo se mide por el ángulo θ. Si el motor está parado y el péndulo se perturba, éste oscilará, como lo hace cualquier péndulo, parándose al cabo de un cierto tiempo, debido a los efectos de fricción. Es el comportamiento «natural» del péndulo.

Se pretende que este péndulo tenga un comportamiento «artificial», en virtud del cual de la posición colgante inferior pase a la erecta superior (inicialmente θ = ±π, y al final θ = 0, en la figura 4), y permanezca indefinidamente en ella. Para ello se tiene que actuar sobre el motor de modo que se consiga que el péndulo se mantenga en la posición vertical superior. Esto se consigue con una estructura de realimentación como la de la figura 5, en la que mediante un dispositivo adecuado se mide el ángulo θ que forma el péndulo con la vertical superior, y a partir de esta medida se decide la actuación u sobre el brazo del que cuelga el péndulo, mediante el motor. En la figura 5 el bloque denominado planta representa, de forma compacta, al conjunto de la figura 4, en la que el motor se gobierna mediante la señal u, que es la señal de entrada al proceso a controlar, y la señal de salida es la medida del ángulo θ. El otro bloque representa el controlador, el órgano de control, en el que se realiza la función de «discernimiento», que postulaba Torres Quevedo, en virtud de la cual se

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Fig. 4. Péndulo invertido rotatorio decide la señal de mando u sobre el motor. La resolución del problema de control, en este caso, comporta dos pasos. En primer lugar, se pretende imprimir balanceos sucesivos de amplitud creciente, conseguidos mediante una estrategia similar a la del que se balancea en un columpio – es decir, aplicando un cambio de par cuando la amplitud de la oscilación

Fig. 5. Estructura de realimentación de un péndulo invertido rotatorio

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es máxima – para conseguir que el péndulo aumente la amplitud de estas oscilaciones y, progresivamente, se acerque a la posición superior deseada. Una vez cerca de ella, se aplica la estrategia del malabarista que pretende mantener un palo en la punta del dedo. La combinación de las dos estrategias produce resultados satisfactorios, en el sentido de que en la práctica se consigue el comportamiento deseado: el péndulo, inicialmente colgando, se balancea con oscilaciones de amplitud creciente hasta alcanzar la posición superior y permanecer en ella.

El problema, pese a su aparente simplicidad, presenta importantes complicaciones y resulta, cualquier cosa, menos trivial. Se trata de un sistema subactuado, en el que la actuación sobre la magnitud que se trata de controlar, la posición del péndulo, se hace de forma indirecta, actuando sobre el brazo del que cuelga. Esta subactuación da lugar a problemas de comportamiento dinámico de naturaleza peculiar, análogos, pero considerablemente más graves, a los producidos por los retardos en la transmisión de información, a los que se ha aludido más arriba. De hecho, el péndulo rotatorio se ideó hace unos 20 años, y aunque ya somos capaces de resolverlo, como hemos visto en el párrafo anterior, lo hacemos de una forma que dista mucho de ser satisfactoria, al menos para un espíritu científico al que le gustaría que la solución fuese el resultado unívoco de la aplicación de una teoría, que en último extremo sería la mecánica analítica. No sólo no se ha logrado encontrar una solución unitaria – que subsuma en una sola las dos estrategias: la del balanceo progresivo y la del malabarista –, sino que tampoco se ha demostrado que ésta no exista. Es una muestra de los importantes problemas involucrados en la aparentemente sencilla e intuitiva estructura de realimentación.

El hecho de que no dispongamos de una única teoría para comprender el supuestamente simple artefacto que es el péndulo invertido no excluye, ni mucho menos, que podamos considerar el proceso descompuesto en subprocesos cada uno de los cuales sí puede ser estudiado con resultados convencionales de la mecánica o de la teoría del control automático. Lo que sucede es que la integración de estos estudios parciales en la unidad que es el comportamiento global resulta de una síntesis que es una muestra de los rasgos característicos de la creatividad del ingeniero, que es capaz de combinar imaginativamente soluciones parciales en un resultado final integrador, y que hacen de esta actividad algo muy distante de la mera ciencia aplicada. Al combinar soluciones parciales, la solución final no es única y en la decisión de cuál de ellas se adopta aparecen elementos subjetivos que acercan la labor del ingeniero a la del artista creador, con la diferencia de que los cánones por los que ingeniero y artista se rigen son distintos: el ingeniero por la eficiente funcionalidad de su artefacto; el artista por la emoción estética que pueda suscitar su obra. Pero, en ambos casos la combinación de elementos que conducirá al producto final – artefacto u obra de arte – posee componentes análogos de creatividad.

Es notable observar el comportamiento del péndulo invertido. Presenta, de forma simplificada, modos de comportamiento que consideraríamos propios de los seres vivos,

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Fig. 6. Balanceo y estabilización del péndulo invertido rotatorio

que mantienen invariables las constantes vitales pese a los cambios del entorno. El péndulo se mantiene erguido a pesar de las perturbaciones a las que se somete. Cuando mediante una actuación exterior, se golpea para inclinarlo, sacándolo de la posición vertical, el péndulo vuelve a ella. Si la perturbación es pequeña, vuelve directamente. Si es grande, llega a «caer» pero repite el proceso de balanceo y vuelta a la posición vertical. El péndulo tiene un comportamiento orientado a un fin, buscando siempre mantenerse en la posición vertical superior, a pesar de los intentos del entorno de separarlo de ella. Se puede aplicar a su forma de comportamiento un término que ha gozado de un cierto descrédito en el mundo científico, pero que es claramente expresivo de lo que hace el péndulo: presenta un comportamiento teleológico, orientado a un fin, mantenerse erguido en la posición «artificial» para el que ha sido concebido.

Las máquinas automáticas, dotadas de la capacidad de gobernar su propio comportamiento, presentan rasgos notables que invitan a la reflexión sobre la riqueza de comportamientos que podemos explicar – y por tanto concebir y construir – mediante mecanismos causales, gracias a una estructura tan simple y ubicua como es la de realimentación. En concreto, comportamientos aparentemente teleológicos admiten una explicación causal. Causalidad y teleología, dos conceptos considerados antitéticos en los medios científicos, confluyen en el comportamiento automático de una máquina. De este modo, las máquinas automáticas, al gobernar autónomamente su comportamiento, se

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convierten en émulos de formas de comportamiento que considerábamos patrimonio de los seres vivos. Sin embargo, los mecanismos subyacentes en estas máquinas los conocemos perfectamente, ya que los hemos concebido nosotros. Por lo tanto, la automática no sólo se convierte en la fuente de importantes progresos en todas las ramas de la ingeniería, sino en un ámbito de reflexión con respecto a la explicación de los mecanismos causales de comportamientos teleológicos propios de los seres vivos y de los sistemas sociales.

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La incorporación de una estructura de realimentación negativa, mediante la que se sustituye a un agente humano, para gobernar autónomamente el comportamiento de una máquina no deja de producir importantes problemas éticos, que sin duda se acentuarán en el futuro inmediato. La adopción de estructuras de realimentación para el gobierno autónomo de máquinas anula la capacidad de decisión del agente al que se suplanta, con todos los problemas de responsabilidad que ello conlleva. Por citar un ejemplo, considérese un automóvil, máquina a la que cada vez se incorporan más aditamentos automatizados, como recordábamos más arriba. En particular, se está realizando investigación para detectar la posible somnolencia o, en general, el cansancio acusado en la conducción de un coche con el evidente peligro que ello comporta para el conjunto de los vehículos que circulan, empezando por el del propio conductor. Se trata de desarrollar sutiles sensores que detecten que el conductor ha rebasado un determinado umbral de cansancio (por ejemplo, falta de presión en el volante, o ligeros bandazos en la conducción, etc.). A partir de esa información se puede indicar al conductor que debe parar a descansar y reponerse. Pero, si el conductor rehúsa hacer caso a esas indicaciones ¿es legítimo proceder a alguna forma de bloqueo progresiva que le impida continuar? Posiblemente la respuesta generalizada a esta cuestión sea positiva, pero ¿dónde está el umbral a partir del cual se puede proceder al bloqueo? Otra cuestión capital en este orden de cosas: ¿se traslada la responsabilidad de los resultados de una decisión tomada por la máquina al ingeniero que la ha dotado de esa capacidad autónoma de decisión? Aunque la máquina lleve incorporado el mecanismo por el que se gobierna de forma autónoma, ninguna máquina, por perfeccionada que esté, es ajena, de alguna forma, a la intervención del ser humano que la ha creado y que tiene que decidir respecto a su supervisión y al grado de autonomía que le concede.

La automática permite sustituir al hombre en sus labores rutinarias y esa es, indudablemente, su vertiente positiva. Sin embargo, esa sustitución del hombre no está exenta de peligros y en un futuro en el que la automatización estará progresivamente presente en el mundo artificial en el que estamos inmersos la consideración de esos problemas no dejará de tener un lugar prioritario.

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Durante el siglo XIX la ciencia física – la ciencia básica por excelencia – presumía de que podrían explicar todos los fenómenos naturales con ayuda de dos únicos conceptos primitivos: la materia y la energía. El siglo XX ha hecho tambalearse esas pretensiones añadiendo uno nuevo: la información, que está llamada a jugar un papel progresivamente creciente en el siglo venidero. En la estructura de realimentación que, como hemos visto, constituye la base de la automática, el papel de la información es esencial. Se realimenta información con relación a las magnitudes que se pretende controlar, para compararla con otra información, el valor deseado para esas magnitudes, procesar esa información y producir una nueva: el valor que se desea que tengan las señales de actuación sobre el proceso que se trata de automatizar. La automática, por tanto, pertenece al ámbito de las tecnologías de la información, con la peculiaridad de que lo hace de modo que a partir de ella se consigan actuaciones sobre máquinas que impliquen la inyección de energía en el proceso a controlar. De este modo, mediante el procesamiento de información, se dosifica la inyección de energía de acuerdo con los objetivos que se pretenden alcanzar en el funcionamiento del sistema. En la figura 7 se ilustra este hecho. En realidad es una variante de la figura 1, con la que se ha pretendido poner de manifiesto que la acción de los

Fig. 7. Inyección de energía mediante la realimentación

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actuadores es inyectar energía exterior al proceso a controlar. Es decir, el órgano de control se limita a dar órdenes – a suministrar información – a los actuadores, que son los que dosifican la inyección de energía, lo que podríamos denominar la actuación material, la ejecución efectiva de la orden – que implica la aplicación de energía – sobre el proceso a controlar. En la figura 7 cabe distinguir dos partes: la que va de los sensores a los actuadores, en la que fundamentalmente se está considerando información; y la que va de los actuadores a los sensores, en la que se realiza una acción efectiva que comporta el procesamiento de materia y energía. Esa doble vertiente, información y energía, que ya estaba presente en la máquina de vapor, aporta a la automática su rasgo más característico: la utilización de la información para el gobierno autónomo de las máquinas.

La automática, ya hemos insistido en ello, es una rama de la ingeniería. Este extremo conviene precisarlo en unos tiempos en los que se detecta una cierta confusión entre ciencia e ingeniería. En el caso de la automática hemos visto cómo la ingeniería posee un ámbito propio de actuación responsable que se desenvuelve entre la capacidad imaginativa, racional y creativa, propia de un ingeniero, y el sometimiento a las pautas de regularidad que imponen las leyes de la naturaleza, cuyo desvelamiento corresponde al científico. El compromiso de los ingenieros no es la búsqueda de la verdad, sino que los productos que conciben y construyen cumplan el objetivo que los ha motivado, aunque se carezca de un cuerpo teórico del que se derive unívocamente la solución adoptada – como sucede en el caso antes mencionado del péndulo invertido –. En los albores del siglo XXI la ingeniería se encuentra ante la ineludible necesidad de dotarse de un espacio propio de reflexión distinto – aunque no ajeno – al de la ciencia – al de las ciencias de la naturaleza, que es a las que habitualmente se alude cuando se habla de la ciencia.

En todo caso resulta difícil sustraerse a una comparación histórica. A principios del siglo XIX la necesidad de establecer unas bases rigurosas a partir de las cuales determinar los posibles límites de la eficiencia térmica de una máquina de vapor condujo a la creación de la termodinámica, que posteriormente sería absorbida por la física – no sin cierta reticencia respecto a su carácter fenomenológico –. La automática, que permite concebir máquinas que gobiernan autónomamente su comportamiento, adaptándose a entornos variables, constituye además de una fuente inagotable de innovaciones tecnológicas, un campo de reflexión sobre las estructuras básicas que rigen el comportamiento de los procesos – no sólo de las máquinas, sino de los seres vivos y de los sistemas sociales – mediante la riqueza de comportamientos derivada de una estructura tan simple y ubicua como es la de realimentación. En automática, como ha sucedido tantas veces a lo largo de la historia, los desarrollos técnicos anteceden a la disposición de un cuerpo científico del que se deriven unívocamente las soluciones a los casos concretos. De hecho, como sucedió en su día con la termodinámica, la construcción de este cuerpo de conocimientos en el que la información y comportamientos están llamados a ser conceptos básicos, y que se nutrirá de las matemáticas desarrolladas en torno a los sistemas dinámicos, constituye un campo prometedor y estimulante que, sin duda, va a ser objeto de considerable atención y desarrollo en el siglo XXI.