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Francisco Javier Vieras Camacho

Índice

Introducción_______________________________________________________3

Definiciones_______________________________________________________3

Tipos de sistemas de control__________________________________________4

Sistemas de control automático________________________________________4

Pasado (Historia, Antecedentes) ______________________________________ 6

Presente (Aplicaciones) _____________________________________________8

Futuro (Propuestas) _______________________________________________10

Conclusión_______________________________________________________12

Fuentes Consultadas_______________________________________________12

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Introducción

Después de explicar en qué consiste el control automático y las ventajas de

utilizar el concepto de realimentación ("feedback"), se describirán algunos de los

actuales sistemas de control automático, como son el control de las constantes

vitales de los organismos vivos, el piloto automático de un avión y el control del

movimiento de un robot móvil. A continuación, se detallarán algunos de los temas

de investigación que actualmente se están llevando a cabo en nuevos campos de

aplicación del control automático y que sin duda serán de utilidad en un futuro

próximo.

Sistemas de Control Automático

Definiciones

Automática: Ciencia que trata de sustituir en un proceso al operador humano, por dispositivos mecánicos, eléctricos o electrónicos.

Automatización: Aplicación de la automática a los procesos industriales.

Sistema: Conjunto de elementos que relacionados entre sí ordenadamente, contribuyen a alcanzar un objetivo.

Sistema automático de control: Conjunto de componentes físicos conectados o relacionados entre sí, de manera que regulen o dirijan su actuación por sí mismos, es decir, sin intervención de agentes exteriores, corrigiendo además los posibles errores que se presenten en su funcionamiento. [3]

Conceptos:

Variables del Sistema: Son las magnitudes que se someten a control y que definen su comportamiento (velocidad, temperatura, posición).

En Regulación Automática, sólo se tendrá en cuenta la relación entrada/salida de los sistemas que se van a someter a control. Lo importante será entonces conocer cuál será la respuesta del sistema (salida) cuando se le comunica una cierta entrada.

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Entrada.- Excitación que se aplica a un sistema de control desde una fuente de energía externa, con el fin de provocar una respuesta

Salida.- Respuesta que proporciona el sistema de control.

Perturbación.- Señales no deseadas que influyen de forma adversa en el funcionamiento del sistema.

Diagrama de bloques(o diagrama funcional). Es la forma de representación más sencilla de los sistemas de control, en el que se da una idea de las relaciones existentes entre la entrada y la salida de un sistema.

A cada componente del sistema de control se le denomina elemento, y se representa por un rectángulo.

La interacción entre los bloques se representa por medio de flechas, que indican el sentido de flujo de la información.

El diagrama de bloques más sencillo es el bloque simple, que consta de un elemento, una sola entrada y una sola salida. [3]

Tipos de sistemas de control:

Los sistemas de control pueden ser:

- DE LAZO (o BUCLE) ABIERTO.- Aquellos en los que la acción de control es independiente de la salida, es decir, que la señal de salida no influye sobre la entrada. [3]

Su diagrama de bloques puede representarse:

Sistemas de control automático;

El control automático de procesos es una de las disciplinas que se ha desarrollado a una velocidad vertiginosa, dando las bases a lo que hoy algunos autores llaman la segunda revolución industrial. El uso intensivo de las técnicas del control automático de procesos tiene como origen la evolución y tecnificación de las tecnologías de medición y control aplicadas al ambiente industrial. [4]

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Su estudio y aplicación ha contribuido al reconocimiento universal de sus ventajas y beneficios asociados al ámbito industrial, que es donde tiene una de sus mayores aplicaciones debido a la necesidad de controlar un gran número de variables, sumado esto a la creciente complejidad de los sistemas. El control automático de procesos se usa fundamentalmente porque reduce el costo asociado a la generación de bienes y servicios, incrementa la calidad y volúmenes de producción de una planta industrial entre otros beneficios asociados con su aplicación.

La eliminación de errores y un aumento en la seguridad de los procesos es otra contribución del uso y aplicación de esta técnica de control. En este punto es importante destacar que anterior a la aplicación masiva de las técnicas de control automático en la industria, era el hombre el que aplicaba sus capacidades de cálculo e incluso su fuerza física para la ejecución del control de un proceso o máquina asociada a la producción. En la actualidad, gracias al desarrollo y aplicación de las técnicas modernas de control, un gran número de tareas y cálculos asociados a la manipulación de las variables ha sido delegado a computadoras, controladores y accionamientos especializados para el logro de los requerimientos del sistema.

El principio de todo sistema de control automático es la aplicación del concepto de realimentación o feedback (medición tomada desde el proceso que entrega información del estado actual de la variable que se desea controlar) cuya característica especial es la de mantener al controlador central informado del estado de las variables para generar acciones correctivas cuando así sea necesario. Este mismo principio se aplica en campos tan diversos como el control de procesos químicos, control de hornos en la fabricación del acero, control de máquinas herramientas, control de variables a nivel médico e incluso en el control de trayectoria de un proyectil militar.

El uso de las computadoras digitales ha posibilitado la aplicación en forma óptima del control automático a sistemas físicos que hace algunos años atrás eran imposibles de analizar o controlar. Uno de estos avances está dado por la aplicación de las técnicas de control difuso, aplicaciones con redes neuronales, simulación de sistemas de control y sistemas expertos entre otros.

Es de vital importancia la aplicación del denominado control adaptativo cuya principal característica es su capacidad de modificar los parámetros del sistema de control en respuesta a cambios en la dinámica y/o perturbaciones del sistema.

Esta fue la principal razón para introducir este tipo de reguladores, es decir, los cambios internos que puede sufrir la dinámica de la planta a controlar por factores ambientales u otros inherentes a los sistemas como el envejecimiento, desgaste y

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los cambios en el entorno del conjunto regulador-planta, como por ejemplo, cambios en la presión y temperatura entre otros. Uno de los primeros campos donde se introdujo esta técnica de control fue en los pilotos automáticos de vuelo, donde las condiciones atmosféricas y las propias del vehículo, como el peso y la velocidad, pueden cambiar radicalmente.

En este punto es importante plantear la pregunta sobre qué es el control automático, siendo la respuesta a esta inquietud la siguiente:

“El control automático es el mantenimiento de un valor deseado para una cantidad o condición física, midiendo su valor actual, comparándolo con el valor referencia, y utilizando la diferencia para proceder a reducirla mediante una acción correctiva. En consecuencia, el control automático exige un lazo cerrado de acción y reacción que funcione sin intervención humana”. [4]

Pasado (Historia, Antecedentes)

El elemento más importante de cualquier sistema de control automático es el lazo de control realimentado, que no es más que una trayectoria cerrada formada por un sensor, un controlador y un elemento final de control. El concepto de control por realimentación no es nuevo, el primer lazo de control realimentación fue usado en 1774 por James Watt para el control de la velocidad de una máquina de vapor. [2]

Desde 800 a 1200, varios ingenieros árabes como los 3 hermanos Musa, Al-Jazari y Ibn Al-Sa´ati usaron reguladores flotantes para relojes de agua y otras aplicaciones.

La invención del reloj mecánico en el siglo XIV hizo obsoleto el reloj de agua y sus sistemas de feedback o retroalimentación (el reloj mecánico no es un sistema feedback). El regulador flotante no aparece otra vez hasta su uso en la revolución industrial alrededor de 1750. [4]

Algunas aplicaciones de sistemas de control automático en años pasados:

Los molinos de viento:

El fantail o ventilador de cola inventado en 1745 por herrero británico Edmund Lee.

La tolva es un dispositivo que regula el flujo de grano en un molino, dependiendo de la velocidad de rotación de la muela. [4]

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Dispositivos para medir y regular la velocidad de rotación de los molinos.

Reguladores Flotantes:

La regulación de nivel de un líquido era condición indispensable en dos áreas importantes en los últimos años del siglo XVIII: en la caldera de una máquina de vapor y en los sistemas de distribución de agua doméstica. [2]

En su libro de 1746, W. Salmon citaba precios para reguladores flotantes usados para mantener el nivel de depósitos de agua para viviendas. Este regulador fue usado en las primeras patentes de las cisternas de WC alrededor de 1775.

La cisterna fue refinada posteriormente por Thomas Crapper, un fontanero londinense, que gracias a sus inventos, fue armado caballero por la Reina Victoria, y pasó por tanto a ser sir Thomas Crapper. [4]

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Presente (Aplicaciones)

El control automático tiene una extensa utilidad, ya que su aplicación no sólo se limita a la lógica automatización de los procesos productivos industriales, tales como: químicos, energéticos, mecánicos, electrónicos, aeronáuticos, etc., sino que también permite el desarrollo de sistemas automáticos útiles para el medio ambiente o la medicina y posibilita el análisis del comportamiento de los mecanismos de control existentes en los procesos comerciales, domésticos, sociales, políticos o biológicos. [1]

Por ejemplo, un sistema de control automático biológico es el complejo mecanismo natural que regula las llamadas constantes vitales como son la presión sanguínea y la temperatura del cuerpo. Este mecanismo natural reacciona frente a las adversidades o perturbaciones (por ejemplo, los cambios bruscos de la temperatura ambiente o los esfuerzos musculares) intentando controlar estas variables en unos valores adecuados a cada organismo. Un mal funcionamiento del control de estas variables se detecta por un desvío excesivo respecto de sus constantes de referencia y es el habitual síntoma (fiebre, presión muy alta o muy baja) utilizado para diagnosticar la existencia de una enfermedad. [1]

Otro ejemplo, de control automático realimentado es el control de la navegación de un avión. En este caso el sistema de control artificial debe actuar continuamente sobre la propulsión del avión y sobre la posición del timón y de las aletas de sus alas para seguir un cierto rumbo y una cierta altura deseada, manteniendo si es posible la horizontalidad de la cabina para que sea cómoda la navegación de los pasajeros, sobre todo en el caso de los aviones comerciales. [1]

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Un tercer ejemplo es el control de robots autónomos (Fig.3a y b) que se desplazan por las instalaciones de almacén y de producción de una fábrica, recogiendo material y transportándolo al almacén o recogiendo componentes de almacén y alimentando las cadenas de producción. En este ejemplo, a partir de unas trayectorias planificadas, de la situación de los obstáculos en la planta industrial y de la posición real en todo momento del robot, que puede proporcionar un sensor láser y unas marcas de referencia, el sistema de control realimentado actúa sobre los actuadores de las ruedas del robot para estar en el momento oportuno en la posición dinámica planificada. [1]

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Futuro (Propuestas)

En la actualidad existen numerosos grupos de investigación en universidades y empresas punteras de todo el mundo que diseñan y desarrollan nuevos sistemas de control para aplicaciones complejas. Desde robots dotados con instrumentación avanzada (sensores de visión, de fuerza, etc.) que son controlados de forma autónoma o de forma remota para llevar a cabo operaciones médicas (laparoscopia) u operaciones en medios peligrosos (manipulación en centrales nucleares) o actuaciones en espacios físicos reducidos (robots limpiando o reparando tuberías de distribución de agua). Todos estos robots llevan sofisticados sistemas de control avanzado y el departamento de ingeniería de sistemas, automática e informática industrial de la UPC investiga en algunas de estas aplicaciones. [1]

Otro de los retos de futuro del control automático es la consecución de controladores robustos para el guiado autónomo de vehículos en autopistas o carreteras, de forma que la acción del conductor sobre el volante, freno y acelerador quedará reemplazado por el sistema de control automático, con la consiguiente comodidad del conductor, con la posibilidad de incrementar el número de vehículos que circulan a la vez y permitiendo reducir el número de accidentes. [1]

También el control automático avanzado se está aplicando a procesos complejos, como es el control de redes de alcantarillado, actuando sobre compuertas de derivación y sobre depósitos de retención para evitar inundaciones y vertidos de contaminantes al mar en caso de fuertes lluvias en una ciudad o bien en el control de las compuertas de canales de regadío para evitar pérdidas de agua por sobreconsumos o por roturas de la red hidráulica (Fig. 4). [1]

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En este tema de gran importancia también está participando actualmente el departamento ESAII (UPC) en aplicaciones reales existentes en Cataluña. [1]

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Conclusión

Después de la realización de esta investigación acerca de los sistemas de

control se ha visto de una manera más clara de lo que son y su funcionamiento, se

ha visto que son aprovechados de una manera excelente a lo largo de los años

con usos sencillos y cada vez son de mayor nivel hasta el grado del sistema de

control de avión y en las estructuras de los robot móvil.

Fuentes Consultadas

[1] QUEVEDO J. Dpto. ESAII. Universidad Politécnica de Catalunya. Las posibilidades actuales y futuras del control automático. Biblioteca Abierta (En línea). [Fecha de consulta: 29/01/2015]. Disponible en:

http://www.tibidaboedicions.cat/ciencia-tec/ct/node/176.

[2] NULLVALUE. Aplicaciones del control automático (en línea). Fecha de publicación 30 de junio de 1997. [Fecha de consulta: 29/01/2015]. Disponible en:

http://www.eltiempo.com/archivo/documento/MAM-155110

[3] URIARTE Anoro José Ma. IES Sta. María de Alarcos. Sistemas automáticos y de control (en línea). Fecha de publicación 2010-2011. [Fecha de consulta: 29/01/2015]. Disponible en:

http://ieshuelin.com/huelinwp/download/Tecnologia/Tecnologia%20industrial/3-SISTEMAS-DE-CONTROL-AUTOMaTICO.pdf

[4] ABARCA Patricio. Sistemas de control automático (en línea). [Fecha de consulta: 29/01/2015]. Disponible en:

http://www.aie.cl/files/file/comites/ca/abc/sistemas-de-control-automatico.pdf