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¿DE DÓNDE VIENE LA

INGENIERÍA DE CONTROL?

MAGAZINE 24 MARZO 2014

1 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

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Bienvenido a EDITORIAL En su quinta edición, la Revista He MAGAZINE, se permite hacer un repaso por la historia de la ingeniería de control. Desde tiempos inmemorables el ser humano ha tratado de mejorar su estándar de vida y que ciertas rutinas se realicen de forma automática o por lo menos que sean llevadas a cabo sin la necesidad de vigilar su desempeño.

En esta automatización, el uso del control retroalimentado ha sido una historia fascinante. Este tipo de control no solamente realiza acciones en lugar del ser humano, sino que también a partir de parámetros establecidos, vigila que se ejecuten de cierta forma y bajo ciertas condiciones.

Además de documentos, existen objetos rudimentarios que demuestran todo lo anterior, entre ellos tenemos: por ejemplo, los juguetes mecánicos de los griegos, que aunque parezca imposible, fueron estos las bases para lo que hoy se conoce como teoría de control.

GRUPO EDITOR

Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín 2014 24 MARZO 2014

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¿DE DÓNDE VIENE LA INGENIERÍA DE CONTROL? Laura Alejandra Sánchez Giraldo laasanchezgi@unal.edu.co Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín

Jairo Alonso Llorente Tamara jalloren@unal.edu.co Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín

Gregg Anderson Hudson Mitchell gahundsonm@unal.edu.co Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín

Jorge Ricardo Montero Córdoba jrmonteroc@unal.edu.co Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín

RESUMEN: La ingeniería de control es un programa curricular, que no muchos pueden entender de forma clara de que se trata y cuál es su utilidad en una línea de producción. Por tal motivo es clave conocer su historia, sus raíces, para tener un concepto más propio y contextualizado sobre esta carrera. Se abarca desde el 2000 a.C. hasta lo que se conoce hoy de la teoría de control. Es un recuento por todas las etapas, hechos y mecanismos que han dejado huella en esta área del conocimiento, y han supuesto un cambio en el pensamiento en las generaciones posteriores a este cambio en la ciencia y la tecnología.

PALABRAS CLAVES: Ingeniería de Control Automático, Ciencia, Revolución Industrial, Autómatas, Sistemas Realimentados, Teoría de control clásica, Teoría de control moderna.

El ser humano desde sus principios ha buscado la forma de mejorar su calidad de vida, satisfaciendo las necesidades que su mismo ser y que el medio le exigen, tratando de evitar de algún modo las sensaciones desagradables. Éste, ansioso por descubrir la naturaleza, la modifica, aprehendiendo de ella misma el conocimiento que le permitiera desenvolverse en su medio de la mejor forma posible, y es la concienciación de los actos la que permite crear un mundo artificial con aras de un estado mejor de vida, un mundo antinatural que empieza a naturalizarse con el transcurrir del tiempo. Hablar sobre la historia de la ingeniería de control, implica inevitablemente hablar sobre la historia de la técnica, historia de la civilización.

En este escrito se habla sobre el origen del control automático, quienes fueron los pioneros en esta área del conocimiento. También se muestra la relación que hay entre la Primera Revolución Industrial y la evolución de la tecnología, y viceversa. Se espera que el presente artículo sirva como base conceptual de lo que es técnica para aquellos que quieran iniciar el camino de la ingeniería de control, obteniendo otra perspectiva; es importante conocer las raíces del saber que se pretende alcanzar.

ocupándose así del estudio de los factores científicos, al analizar, diseñar, realizar, operar, optimizar y controlar diversos sistemas. Su objetivo es aplicar su doctrina a los diversos campos de la industria, es decir, poder diseñar, analizar, optimizar, automatizar y controlar dichos métodos para obtener los resultados que se desean.

Un ingeniero de control está en la capacidad en diseñar, analizar, construir, operar y supervisar el moldeamiento de cualquier sistema de ingeniería.

Este profesional no solo mide, sino que moldea y somete a los sistemas a comportamientos deseados que originalmente no poseen control.

La mayor y principal característica de esta ingeniería es la transversalidad, es decir, se puede aplicar a cualquier campo y gracias a esta siempre se alcanzaran las metas propuestas.

Donde quiera que haya la necesidad de someter un sistema o proceso a un comportamiento específico esperado, allí se requerirá un ingeniero de control. Diseñando las estrategias de intervención necesarias que garanticen el logro del desempeño requerido para el proceso y que permitan el sostenimiento de este en el tiempo. A manera de conclusión, ningún desarrollo tecnológico serio ha sido posible de alcanzar sin la participación de la teoría de control.

La ingeniería de de control se basa en las ciencias naturales y las ciencias aplicadas, 4 24 MARZO 2014

Figura 1.Reloj despertador de Platón

El control significa dominio y el hombre siempre ha querido ejercerlo sobre el espacio y el tiempo. La obsesión por medir estas dos variables comienza en el 2800 a.C. En un principio se usaban las estrellas para calcular el tiempo de noche, después se implementaron los relojes de sol. No fue hasta el 1900 a.C. que los babilonios diseñaron un reloj de agua, este era mucho más preciso que los otros dos anteriores, fue perfeccionado por los chinos y los egipcios, se conocía como Clepsidra, consistía en un mecanismo cuyo objetivo era que el nivel de un depósito de agua subiera con una velocidad constante. Las horas eran marcadas en los lados del tanque donde se almacenaba el agua que fluía o en el recipiente de donde esta surgía. Por extensión, se ha llamado también clepsidra al reloj de arena.

Se empezaron a construir artefactos reguladores, para facilitar la vida de las personas, reemplazando las tareas repetitivas por sistemas complejos. Los árabes eran todos unos maestros en esta área, construyendo autómatas y haciendo cálculos muy precisos, de manera que tal que lograron hacer el reloj mecánico y grandes aportes en la astronomía.

3.1 Primeros ingenieros de control Archytar de Tareneo (400-397 a.C.) construye un pichón de madera suspendido en un pivote, el cual rotaba con un surtidor de agua o vapor, simulando que volaba, Archytar es también el inventor del tornillo y la polea.

Platón en el año 378 a.C. le surge la idea de automatizar el reloj de agua, creando así un tipo de reloj despertador, ya que sus alumnos tenían ciertas dificultades para levantarse por la mañana, lo cual era fuente de discusiones todos los días. En el vaso de la Clepsidra ubicó un flotador encima y se depositó unas bolas.

Durante la noche se llenaba el vaso y al amanecer alcanzaba su máximo nivel y las bolas caían sobre un plato de cobre. Es de suponer que ante el ruido de las bolas los alumnos se despertaran.

Fue Pilón de Bizancio, quien creó un sistema de regulación para la lámpara de aceite.

Figura 2. Sistema de regulación para la lámpara de aceite

Aquel consista en que al quemarse el aceite de la lámpara, el nivel del depósito de aceite bajaba haciendo que entrara aire en el otro depósito de tal forma que suministrara mas aceite al almacén de la lámpara.

La Enciclopedia Técnica, comprendida por los libros Autómata y Pneumatica del siglo I a.C. Fue escrita por Herón de Alejandría, describía los sistemas realimentados, como lo eran los dispensadores de vino. Por otra parte, Herón inventa el odómetro, un dispositivo creado para medir las distancias recorridas por un vehículo.

3.2 Edad media (siglo V –siglo XV) En esta época fueron pocos los avances en los sistemas de realimentación; aun así, H.U Lansperg creo en el año 1200 un sistema de control para un molino de harina, el cual permitía que la cantidad de grano suministrada al molino dependiera de la fuerza del viento y la dureza del propio grano.

En roma, se tenía la costumbre de hacer funcionar juguetes durante las reuniones sociales para entretener a los invitados. La cultura árabe también heredo los conocimientos de los griegos, pero no solo los empleaban para inventar juguetes, sino que también les dieron una aplicación práctica, un ejemplo de esto es la implementación de dispensadores para beber o lavarse.

El gallo de Estrasburgo funciono desde 1351 hasta 1789, es el autómata mas antiguo que se conserva.

Este formaba parte de la catedral de Estrasburgo y al dar las horas movía el pico y las alas.

3.3 Renacimiento (Siglo XV- siglo XVI) Leonardo Da Vinci (1452-1519), construye un león mecánico para el rey Luis XVI de Francia, 5

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aquel abría el pecho con la garra y mostraba el escudo de armas del rey. En España, Juaneto Turriano elabora “El hombre de palo”, cuya forma era la de un monje, podía caminar, mover la cabeza, los ojos, la boca y los brazos; este fue un presente para Carlos V. Los ingenios mecánicos del período, tenían características similares a los robots actuales, la mayoría fueron desarrollados por artesanos del gremio de la relojería. Su objetivo era entretener a la gente en las cortes y servir de atracción en las ferias. Estos tenían figura humana o animal.

Según P. Labal, el general de Gennes construyo un pavo real que caminaba y comía, aquel artefacto le sirvo de inspiración a Jacques de Vaucason (17091782) para construir un pato mecánico, el cual fascino a Europa entera, pues podía alargar el cuello para tomar el grano de la mano, luego lo tragaba y lo digería, de igual manera podía beber, chapotear, graznar e imitaba los gestos de un pato.

Los granos los digería por disolución y se conducían por unos tubos hacia el ano, donde había un esfínter para evacuarlos. Vaucason también invento un flautista capaz de tocar melodías. Era un complejo mecanismo de aire que causaba el movimiento de los dedos y de los labios. Por petición de Luis XV, intento construir un modelo con corazón, venas y arterias, lamentablemente, murió antes de terminarlo.

Pierre Jaquet Droz (1721-1790), un relojero suizo, junto con sus dos hijos Henri-Louis y Jaquet construyo diversos muñecos capaces de escribir, dibujar y tocar melodías en un órgano. Estos aun se conservan en el museo de arte e historia de Neuchâtel, Suiza.

A finales del siglo XVIII y principios del siglo XIX, Jean David, Julien Auguste y Jacques- Rodolphe, construyen un escritor-dibujante en forma de niño arrodillado y con un lápiz en su mano, escribe en ingles, francés y dibuja paisajes. También hicieron un pájaro que cantaba en una caja.

Figura 4. Telar de Jacquard, es el primer en aplicar tarjetas perforadas como soporte de un programa de trabajo

Asimismo se desarrollaron ingeniosas maquinas utilizadas fundamentalmente en la industria textil, en las que se destacan la hiladora giratoria de Hargreaves (1770), la hiladora mecánica de Cromton (1779), el telar mecánico de Cartwright (1785) y el telar de Jacquard, este es el primero en aplicar tarjetas perforadas como soporte de un programa de trabajo, en otras palabras, eligiendo un conjunto de tarjetas perforas, se definía el tipo de tejido que se deseaba realizar. Estas maquinas fueron un precedente histórico para los ingenios de control numérico.

Tiempo después, en las industrias mineras y metalúrgicas se incorporan automatismos lo que supone un gran impacto social, gracias a Potter a principios de siglo XVII, al automatizar el funcionamiento de una máquina de vapor del tipo Newcomen, incorporando de esta forma el concepto de realimentación.

Desde este momento el ingeniero diseñador tiene la doble labor de: diseñar un proceso mecánico y también desarrollar el automatismo, que en la mayoría de los casos es parte integral de la maquina. Desde este momento, el desarrollo de automatismos es impresionante.

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 tal modo que se aprovechará mejor la dirección del viento.

Figura 3. Muñecos autómatas de Pierre Jaquet Droz

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Comprende desde el siglo XVIII hasta mediados del siglo XIX. En esta etapa, hubo un gran crecimiento en las aplicaciones con contadores realimentados de voltaje, corriente y frecuencia.

Como ejemplo, la regulación de los calentadores de agua por medio de la generación de vapor, el control de motores con maquinas eléctricas. De la misma forma, el diseño de estabilizadores, el control de flujo, de presión y de temperatura en barcos, aviones y automóviles.

En los siguientes veinte años hubo un gran progreso en la instrumentación de indicadores y dispositivos reguladores. Se hizo un estudio más afondo de los sistemas dinámicos, originándose así la teoría de control por realimentación, la cual tiene lugar en la organización del conocimiento humano. Introduciendo el concepto de sistemas como: “Entidad dinámica con entradas y salidas definidas que se ligan a otros sistemas y al entorno.”

Lo anterior fue un requisito previo para el desarrollo de la teoría de control. Esta demostró su vital papel en los diversos campos de la economía, la política, la biología, la medicina, la psicología, y la sociología.

James Watt, tras observar y estudiar la operación de los molinos con los reguladores centrifugados, sugiere la posibilidad de aplicar este principio para controlar la velocidad de la máquina de vapor. Este regulador mecánico por medio de un sistema de palanca normalizaba la cantidad de vapor suministrada por la caldera a la turbina de la máquina de vapor. Fue este un desarrollo histórico en la regulación automática, ya que incorpora sensores, actuadores en un único ingenio, sin disponer de amplificadores de potencia que aislaran los sensores de los actuadores.

Figura 4. Máquina de vapor

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LaPlace y Fourtier desarrollaron métodos de transformación matemática, con la teoría de la variable compleja, de esta forma complementaron las bases analíticas para la ingeniería de control.

A mediados del siglo XIX, cambian las técnicas, los diseños mecánicos y se mejoran los procesos de fabricación. A pesar de esto, surgió un problema, aquel consista en que la velocidad de las maquinas variaba cíclicamente con el tiempo y tenían comportamientos muy pocos estables. Dicho inconveniente fue resuelto por Maxwell en 1868, donde da origen a la teoría de control en su trabajo: On Govenor, en este también presenta el criterio de estabilidad para los sistemas lineales, dinámicos e invariables y diferencia entre los reguladores proporcionales y reguladores en acción integral.

En 1889, Liaponu presenta diversos trabajos sobre estabilidad, los cuales serian los cimientos de la teoría de control moderna. H.J. Black diseña el tríodo, es un amplificador de expresión electrónica de control usado previamente en distintos sistemas mecánicos; este consistía en introducir un desfase en el sistema de frecuencia correcta. La teoría de regeneración para el diseño de amplificadores fue propuesta por Harry Nyquist, estableciendo los fundamentos científicos para la cibernética. El control automático se hace más relevante cuando en el año 1912 el sueco Dallen gana el Premio Nobel de física, por su desarrollo en los controladores que se utilizaban conjuntamente con los acumuladores de gas para las señales luminosas. En 1922 Nicholas Minorky presento un análisis que involucraba un sistema de control sobre la posición y formulo una ley de tres términos, que ahora es conocida como controlador PID. A finales del siglo XIX se encuentran asentadas las bases necesarias para el desarrollo de Teoría de Control Automático, llevada a cabo durante este siglo XX.

Figura 5.Controlador PID

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A finales de los años treinta, se introdujo la acción descriptiva en los conflictos numéricos, dando lugar al regulador de tres términos (proporcional, integral, derivativo).

H.W Bode usa en 1938 las representaciones de respuesta en magnitud y de fase de una función compleja, investigando la estabilidad de bucles cerrados utilizando las nociones de ganancia y margen de fase.

podía ser usada para confrontar los efectos al ruido y la utilizo al diseñar un sistema control a un radar aerotransportado.

Su éxito demostró la importancia de las técnicas en el dominio de frecuencias para el diseño de sistemas de control. Es en el año 1942 cuando Ziegler y Nichols, ingenieros de Taylor Instruments desarrollan las formulas empíricas para controlar el regulador PID al proceso. Su trabajo fue pionero en el desarrollo de la idea de control óptimo.

En 1940, desde el laboratorio de radiación en el Massachusetss Institute of Technology, provinieron los más relevantes aportes en materia de control de la época.

A.C. Hall se da cuenta en 1941 que la tecnología del dominio de frecuencias desarrollada en los laboratorios Bell,

Desde el año de 1955, se desarrollaron los métodos temporales con el objetivo de solucionar los problemas en aplicaciones aeroespaciales, estos métodos reciben un gran impulso gracias al desarrollo de las computadoras digitales, ya que estas proporcionaron la plataforma tecnológica necesaria para su implantación, prueba y desarrollo. Aparece un nuevo método de diseño de control, conocido a partir de entonces como la teoría de control moderna, esta se basa en la representar los sistemas en variables de estado o refrigeración interna y trabajando casi exclusivamente en el dominio del tiempo.

En la década de los sesenta, se hacen grandes avances en el campo de la tecnología digital, de no ser por las computadoras, el control moderno hubiese visto muy limitadas sus aplicaciones. Es en esta misma década que se publican los primeros libros sobre la teoría de control moderna, se establece como una herramienta importante en el diseño de controladores automáticos. En el año de 1970 se presenta un enfoque geométrico del problema de control, que utiliza métodos del algebra lineal. Igualmente se desarrollan métodos de identificación de sistemas por mínimos cuadrados y de máxima verosimilitud. El concepto de regulador autograbable, fue propuesto por Kalman, consistía

Figura 6. Laboratorios Bell

en que si se disponía de un método valido de diseño de reguladores el proceso se podía ejercer control hasta que adopte un procedimiento de identificación lineal.

Grandes maestros en el campo del control como: J.Doyle, M.G. Safonov, AJLaud y G.L Hattman en la década de los ochenta demuestran la importancia de las técnicas clásicas en el dominio de la función en el dominio de sistemas de control moderno.

Estos estudios tuvieron su aplicación en numerosos procesos de control, como resultado de todas estas investigaciones llevadas a cabo, hoy en día se puede hablar de una nueva teoría de control que reúne las mejores características de las teorías clásica y moderna.

Esta ingeniería es el conjuntos de muchas aéreas del conocimiento, por tal razón tiene aplicación en los diversos campos de producción industrial. Seguirá evolucionando cada día mas hasta volverse reconocida por el público y se creara la necesitad de disponer de un ingeniero de control en cada empresa. Los profesionales de mañana tienen en sus manos la posibilidad de crear grandes proyectos y poder darle un tipo de carta de presentación a los generaciones posteriores.

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