historia de la automática

1

Automática: ¿De dónde venimos?

¿Dónde estamos?¿Hacia dónde vamos?

Sebastián Dormido

Terrassa 20 de noviembre de 2013

Dpto. Informática y AutomáticaE.T.S. Ingeniería Informática

UNED, [email protected]

S. Dormido Automática

CICLO DE CONFERENCIAS 40 ANIVERSARIO DE CIRCUTORSalón de actos del Museo Nacional de la Ciencia y de la Técnica


Contenido

1. Introducción

2. ¿De dónde venimos?

3. ¿Dónde estamos?

4. ¿Hacia dónde vamos?

5. Conclusiones

2


Contenido

1. Introducción




5. Conclusiones


Sistema 1 Sistema 2 Sistema 1 Sistema 2

Lazo abierto Lazo cerrado

1. Introducción

Concepto de realimentación

3


Norbert Wiener: “Realimentación es un método de controlar

un sistema, reinsertando en él los resultados de su

comportamiento anterior.”

Control en lazo abierto Control en lazo cerrado

Controlador Sistema Controlador Sistema


1. Introducción


Norbert Wiener: “Realimentación es un método de controlar

un sistema, reinsertando en él los resultados de su

comportamiento anterior.”

Control en lazo abierto Control en lazo cerrado

Controlador Sistema Controlador Sistema

Perturbación Perturbación


1. Introducción

4


Ejemplo: Proceso de llenar un vaso de agua.

1. Introducción

Una transmisión de información circular de forma continua.


J. Aracil y F. Gordillo, Dinámica de Sistemas, Alianza Editorial


Si nos tapamos los ojos se rompe el bucle de realimentación

1. Introducción

Ejemplo: Proceso de llenar un vaso de agua.

Una transmisión de información circular de forma continua.


J. Aracil y F. Gordillo, Dinámica de Sistemas, Alianza Editorial

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Realimentación en sistemas biológicos

Claude Bernard En 1878 reconocía la notable estabilidad del

medio ambiente interno de los organismos vivos.

W. B. Cannon En 1928 introduce el término “homeostasis”

para describir el mantenimiento extraordinariamente estable

de tales variables.

N. Wiener En 1948 acuña el término “cibernética” para

estudiar de forma unificada como los sistemas biológicos, de

ingeniería, sociales y económicos se controlan y regulan.

1. Introducción


Realimentación en los seres vivos

Ataxia locomotriz

Temperatura interna de los seres vivos

Concentración de glucosa en sangre

Ritmo de trabajo del corazón

Producción de proteínas por los ribosomas

Procesos visuales

Regulación de la pupila

Regulación de la respiración

1. Introducción

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¿Hacia dóndevamos?

Sistemas complejos

Control basado en red

¿Dóndeestamos?

ComputaciónControl

Comunicación

El regulador de Watt

¿De dóndevenimos?

El amplificador realimentado

1. Introducción


automático, ca en el diccionario de la RAE

1. adj. Perteneciente o relativo al autómata.

2. adj. Dicho de un mecanismo: Que funciona en todo o en parte por sí solo.

3. adj. Que sigue a determinadas circunstancias de un modo inmediato y la mayoría de las veces indefectible.

4. adj. Maquinal o indeliberado.

5. m. Especie de corchete que se cierra sujetando el macho con los dientes de la hembra, que actúan como un resorte.

1. Introducción

7


6. f. Ciencia que trata de los métodos y procedimientos cuya

finalidad es la sustitución de un operador humano por un

operador artificial en la consecución de una tarea física o

mental

automático, ca en el diccionario de la RAE

1. Introducción


Trabajo artesano

• El artesano es el responsable de

la producción total del producto

• Cada producto es “único”

• Producción y coste proporcional

al número de artesanos

1. Introducción

8


Trabajo mecanizado

• Reorganización de los métodos

de producción

• División en un número de pasos

bien definidos

• Diseño de máquinas que ayudan

en cada paso

• El trabajador es entrenado para

operar sus máquinas

1. Introducción


• Profundiza en muchas de las

características de la mecanización

• Los costes de producción

dependen de las materias primas,

capital invertido y mantenimiento

• El trabajador no entra de forma

directa en la producción

• El trabajador efectúa solamente

labores de supervisión

Trabajo automatizado

1. Introducción

9


Ingeniería Mecánica

IngenieríaNaval

Ingeniería Eléctrica

Ingeniería Química

Ingeniería Civil

IngenieríaAero-

naútica

Biongeniería

Ingeniería Nuclear

Transversalidad

de la

Automática

1. Introducción


Rentabilidad económica

Supervisión y diagnosis

Calidad de producto consistente

Mantener operativa la planta

Protección del equipo

Medioambiente

¿Por qué automatizamos?

Seguridad

1. Introducción

10


http://www.ceautomatica.es/

1. Introducción


Automática: Definiendo un concepto

http://www.youtube.com/watch?v=FOvDMfan5p0

1. Introducción

11


Contenido

1. Introducción




5. Conclusiones



Los orígenes y líneas fundamentales del desarrollo de la

automática se ilustran por tres dispositivos.

1. Los antiguos relojes de agua

2. Los termostatos

3. Los molinos de viento/agua

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Molinos de agua



Molinos de viento


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Edmund Lee1 (1745)

1. Aprovechamiento de la energía eólica

2. Regular la velocidad de las aspas

(1) Patente: “Self regulating wind machine”



Thomas Mead (1787)

La calidad de la harina depende de

dos factores:

1. La distancia entre las ruedas móvil y fija

2. La velocidad de rotación de la rueda móvil

Regulador centrífugo de Mead

El regulador de Mead resuelve el

problema ya que aseguraba que:

1. La presión ejercida entre las piedras del

molino es proporcional a la velocidad de

rotación

2. Se regula la velocidad del molino variando

el ángulo de ataque de sus aspas


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Thomas Newcomen (1712): Constructor de la 1ª máquina de vapor

El problema de esta máquina era su bajo rendimiento energético (0,5 %)

Una máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma

la energía de una cantidad de vapor de agua en trabajo mecánico



Transforma el desarrollo de la máquina de vapor, de un proyecto

tecnológico, a una forma viable y económica de producir energía.

James Watt (1736-1819)

La máquina de Newcomen emplea casi tres cuartos de

la energía del vapor en calentar el pistón y el cilindro.

1. Desarrolla una cámara de condensación separada

que incrementa significativamente la eficiencia.

2. Introduce el cilindro de doble efecto que acepta

vapor alternativamente a ambos lados del émbolo

Mejoras introducidas por Watt

Aumenta el rendimiento de la máquina hasta un 4 %


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Comparación de las máquinas de Newcomen y Watt

Máquina de WattMáquina de Newcomen



La firma Boulton & Watt

En 1784 patentan la locomotora de vapor

J. Watt M. Boulton

Se constituye en 1775 para construir

máquinas de vapor en el Soho Foundry en

Smethwick, cerca de Birmingham. La firma

pasó a sus dos hijos en 1800 y permanece

más de 120 años. Todavía en 1895

construían máquinas de vapor.

La máquina más antigua de la firma es

la Smethwick Engine. En 1785

construyen la 1ª máquina de vapor

rotatoria para moler malta en la

cervecería Whitbread en Londres.


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Caldera

Motor

Válvula deadmisión

Eje desalida

Velocidadmedida

Reguladorcentrífugode bolas

Incorporación del regulador centrífugo de bolas

En 1868, solo en Inglaterra, hay más de

75.000 reguladores en funcionamiento.



Máquina de vapor, de la Fábrica Nacional de Moneda y Timbre, expuesta en el vestíbulo de la ETSII de Madrid.

Balancín

Regulador

Volante

Cilindro

Biela

Caja de válvulas

Barra del pistón


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1. Proporcionaba control de velocidad en un único punto de

operación

2. Funcionaba en un rango pequeño de velocidades

3. Precisaba de un mantenimiento cuidadoso

4. Presentaba una tendencia creciente a oscilar: esto es, la

velocidad de la máquina de vapor variaba cíclicamente con

el tiempo

5. Este fenómeno también había aparecido en los

mecanismos usados para regular la velocidad de los

telescopios astronómicos

Inconvenientes del regulador de Watt



Estos problemas atrajeron la atención de:

J. C. Maxwell1831-1879

G. B. Airy1801-1892

1868 Maxwell publica su trabajo “On Governors”

La estabilidad de un sistema es un problema algebraico.

Que está relacionado con la posición de las raíces de

una ecuación polinomial. El objetivo era determinar la

estabilidad sin necesidad de calcular las raíces

Maxwell lo resuelve para polinomios de grado n ≤ 4.

=

=n

0i

ii 0xa


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El problema lo resuelven E. Routh y A. Hurwitz

E. J. Routh1831-1907

A. Hurwitz1858-1918

Routh gana en 1876 el “Adams Prize” con su trabajo “A

treatise on the stability of the given state of motion”

Cuando Routh presenta su trabajo en la London

Mathematical Society comienza diciendo:

“Ha venido recientemente a mi atención que mi buen

amigo James Clerk Maxwell ha tenido dificultades con un

problema relativamente trivial ...”

Routh no conocía los trabajos previos de C. Hermite (1854)

Cuando Hurwitz lo resuelve en 1895 no conoce el trabajo de Routh



Un problema técnico importante en la telefonía de larga distancia

La atenuación en el cable de transmisión

1906 Lee de Forest crea el tubo amplificador tríodo

1915 Enlace telefónico New York - San Francisco

• 3.000 millas

• Línea áerea de cobre (500 kg/milla)

• Frecuencia de corte de 1000 Hz

• Atenuación de 60 db

• Se reduce a 16 db utilizando 6 amplificadores de repetición

• 130.000 postes telefónicos

• Una llamada de 3 minutos costaba 20$

• La red telefónica se transformaba en una máquina


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La creación del Bell Technical Labs (BTL) en 1925

Dpto de Ingeniería

AT&T

Dpto de Ingeniería

Western Electric

Investigación

fundamental

Investigación

de productos

BTL

3.600 empleados que incluían a 2.000 científicos e ingenieros

Solo en 1925 la “Bell System” tuvo 800.000 nuevos abonados



El objetivo del BTL era aumentar la capacidad y reducir el coste

1ª alternativa: Poner más conversaciones en una única línea

Multiplexación de las señales con portadora mayor atenuación más repetidores

2ª alternativa: Aumentar el número de líneas

Transmisión por cable mayor atenuación más repetidores

40Portadora

600Portadora + Cable

200Cable

61er TC

RepetidoresSistema


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Tensiónde rejilla

Corriente enel anodo

La característica de los tubos de vacío no era lineal

Esta no linealidad introduce distorsión y origina dos problemas

1. Producción de ármonicos entremezclado de las conversaciones

2. Al aumentar los repetidores aumenta la distorsión total

conversación ininteligible



A la búsqueda de un amplificador lineal

Entra en escena Harold S. Black

H. S. Black1898-1983

• Natural de Massachusetts

• En 1921 se gradúa en Ingeniería Eléctrica en WPI

• En 1922 comienza a trabajar en el departamento de tubos

de vacío de Western Electric

Black se plantea el problema en términos de señales:

Salida del amplificador = Señal pura + Distorsión

El problema se transforma en como separar ambas señales y quedarse

solo con la componente de señal pura


21


La solución en el ferry Lackwana

El 6-VIII-1927 en su viaje matinal para ir al

trabajo Black se hace el siguiente razonamiento:

“Si la ganancia del amplificador la reducimos en

una determinada cantidad y esa misma cantidad

la realimentamos a la entrada entonces la

linealidad se podrá mejorar sustancialmente y la

distorsión se reducirá en el mismo factor por el

que se disminuye la ganancia”



A

F

d

r e Ae

-

y-

+ +

Un análisis sencillo del amplificador con realimentación

Fyre

Aey

−== Gr

AF1

Ary =

+=

F

1

AF

AG =≈1AF >> si

se supone d = 0

si d ≠ 0AF1

d

AF1

Ary

+−

+=

Cuando AF aumenta la conducta del sistema se hace más dependiente de la

ganancia de realimentación (F) y menos del resto del sistema (A)

1) Resistencia a la variación de los parámetros internos

2) Resistencia a las perturbaciones en la salida

3) Mejora la fidelidad de la respuesta

A

A

AF1

1

G

G Δ+

≈Δ

AF1

1

d

y

+=

∂∂

F

1G =


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El mérito real de Harold Black fue haber formulado el

problema de la realimentación negativa en términos muy

generales, facilmente reutilizables con otras tecnologías

y haber sido el origen de la generalización de este

concepto a otros dominios técnicos

“Muy pocos hombres han tenido la fortuna de influir de forma

tan profunda sobre un campo completo de la industria como lo

ha hecho Harold S. Black”

H. S. Black1898-1983

IEEE Lamme Medal, 1957

La importancia del descubrimiento de Black



• Hacia 1932 Black y su equipo podían construir

amplificadores que funcionaban razonablemente bien.

• Sin embargo presentaban una tendencia a inestabilizarse.

• Algunos lo hacían cuando aumentaba la ganancia del lazo

del amplificador realimentado, lo cual se podía esperar.

• Otros manifestaban estas características cuando la

ganancia disminuía y esto era completamente inesperado.

• Situación análoga a la vista con los reguladores del siglo

XIX, un dispositivo práctico exhibía una conducta misteriosa

Un problema con los amplificadores realimentados


23


El problema lo resuelve H. Nyquist

Nyquist publica en 1932 “Regeneration Theory” que marca el

nacimiento de la Automática como disciplina científica

H. Nyquist1889-1976

• Natural de Nilsby, Suecia

• En 1907 emigra a Estados Unidos

• En 1914 se gradúa en Ingeniería Eléctrica en North Dakota

• En 1917 se doctora en física en Yale y comienza a trabajar en AT&T

• En 1925 se incorpora al BTL

Sistemas condicionalmente estables

1. Una forma nueva de ver el probema de la estabilidad

2. Es fácil ver como se puede estabilizar un sistema

3. Se formula en términos de una cantidad medible

4. No depende de la existencia de un modelo matemático




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Curva de Nyquist de un amplificador realimentado

“Regenerative Amplifier and Method of Determining its Stability”

U.S. Patent 1,915,440



• La realimentación hace posible que podamos diseñar buenos

sistemas a partir de malos componentes, pero la realimentación

puede dar lugar a inestabilidad (singing)

• Nyquist introdujo una forma completamente nueva de mirar el

problema de la estabilidad

AB C

• Es fácil ver como se puede estabilizar un sistema


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La génesis del amplificador realimentado

1. Agosto de 1927: Black inventa el amplificador realimentado

2. Agosto de 1928: Black presenta su patente a la oficina de

patentes americana

3. Julio de 1932: Nyquist publica “Regeneration theory”

4. Enero de 1934: Black publica “Stabilized Feedback

Amplifiers”

5. Diciembre de 1937: La oficina de patentes americana

aprueba la propuesta presentada por Black 9 años antes

(U.S. Patent 2 102 671)



Contenido

1. Introducción




5. Conclusiones

26


Transporte



Generación y distribución de energía


27


Control de procesos



Fabricación discreta


28


Electrónica de consumo



Robótica


29


Cirugía asistida por robots



Computación

Control

Comunicación

Eje tecnológico


30


ControlMatemática

Química

Física

Biología

Eje científico



Computación

Control

Comunicación

Matemática

Química

Física

Biología

Eje tecnológico Eje científico


31


ComputaciónControl Evolución del parque de computadores

Computadores de propósito general y PC’s

Computadores en control de procesos

Computadores empotrados

Fuente: K. J. Åström “Challenges in Control Education”, ACE’06



Implementación de sistemas de controlComputaciónControl

1. Modelar la planta

2. Analizar modelo

3. Variables a controlar

4. Configuración de control

5. Tipo de controlador

6. Especificaciones

7. Diseñar controlador

Dpto de Control Dpto de Informática

1. Diseñar hard + soft

2. Test estructural

3. Test funcional

4. Validación

Metáfora del muro


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Inalámbrica Tecnología decomunicacióndominante

Neumática3–15 psi

Analógica4–20mA

Smart4–20mA

Múltiplesbuses de campo

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

WirelessHARTISA 100ZigBee….

Comunicación en control

Los sistemas inalámbricos se benefician de:

• Flexibilidad y capacidades de medida ↑↑

Grandes cambios en la

arquitectura de los sistemas de control

• Costes de instalación y mantenimiento ↑↑



Contenido

1. Introducción




5. Conclusiones

33



Características de los sistemas de control del futuro

1. Complejidad y heterogeneidad

2. Control en entornos de red asíncronos y distribuidos

3. Coordinación y autonomía de alto nivel

4. Síntesis automática de algoritmos de control con

verificación y validación integrada

5. Construcción de sistemas muy fiables a partir de

componentes menos fiables


Tres textos de reflexión

Informe Murray AFOSR


Informe IEEE Control System Society

National Academy of Engineering

34



Complejidad: La nueva frontera

Tradicionalmente el control se ha focalizado sobre sistemas sencillos


Sistema 1(coche)




35


Sistema 2

(conductor)

(coche)Sistema 1





…. pero esto no es suficiente!Nuevas aplicaciones desafian a esta forma tradicional de pensamiento


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Todos estos sistemas son conjuntos de muchas entidadesque se comunican unas con otras en un red de interconexiones




37







38







39





La red de interconexiones (topología) puede ser increíblemente complejas.

... y pueden emerger nuevas conductas que no se pueden explicar en términosde la conducta de cada agente.


40


Sincronización

Sincronisación de 5 metrónomos acoplados realizado en el Dpto de Físicas de la Universidad de Lancaster.



Bandadas


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Una bandada de nano cuadri-rotors

Experimentos realizados con un conjunto of nano cuadri-rotors el elGRASP Lab, Universidad de Pennsylvania. Vehiculos desarrollados

por KMel Robotics.



Contenido

1. Introducción




5. Conclusiones

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5. Conclusiones

• Emerge como una disciplina crucial en apenas 70 años

• Desarrollo muy dinámico y motivador

• Trasciende las fronteras de las ingenierías tradicionales

• Son sistemas de “misión crítica”

• “Tecnología oculta”

• Su utilización es vital en nuestra sociedad

El impacto de la Automática


La Automática dispone en la actualidad de un cuerpo

bien establecido de teorías, ideas, conceptos y métodos

de diseño y un conjunto de áreas de aplicación en

continua expansión.

Un excelente grupo de jóvenes investigadores creativos y

con talento

y lo que es mucho más importante

5. Conclusiones

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Una mirada vigilante

• Interacción control – comunicación – computación

• Conexión con la industria

• Conocimiento específico del dominio de aplicación

• Posicionamiento académico

5. Conclusiones

historia de la automática

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