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REGULACIÓN AUTOMÁTICADpto. Ing. Eléctrica, Electrónica, Automática y Física AplicadaETSIDI‐UPMMiguel Hernando Gutiérrez

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DepartamentodeElectricidad,Electrónica,AutomáticayFísicaAplicada

Miguel Hernando Gutiérrez

Regulación AutomáticaTema 1. Introducción al Control de Procesos.


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Contenido1.1 La historia de la automática.

•Aplicaciones

1.2 Los sistemas de control.•Nomenclatura y definiciones

•Sistemas de control en bucle abierto y en bucle cerrado.

•Naturaleza del problema técnico de control

Bibliografía recomendada:Apuntes de la asignatura (C. Platero 2014).www.elai.upm.es/moodle

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Automática

• “Es la ciencia que trata de los métodos y procedimientos cuya finalidad es la sustitución del operador humano por un operador artificial en la ejecución de una tarea física y/o mental previamente programada” Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales

• El objetivo de la Automática es crear sistemas autónomos


Historia de la automática

• Desde los intentos de riego automático de los babilónicos hasta la actualidad podemos distinguir 4 periodos:o Prehistoria: hasta 1868.

El ingenio, no como una disciplina propia

o El Periodo Primitivo: 1868‐1935

El regulador como elemento diferenciado, pero sin base teórica ni lenguaje común. Hay análisis matemático pero no propio.

o El Período Clásico: 1935‐1960

La regulación automatica como disciplina específica, con herramientas y modos propios

o Control Moderno: desde 1955

Cambio de enfoque dando lugar a un control más versátil y subdisciplinas (óptimo, borroso, deslizante, discreto, adaptativo…)

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Reloj de Agua y Clepsidra (Ktesibios siglo III a.C)Prehistoria: hasta 1868

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Fuente con movimiento (Heron siglo II a.C.)Prehistoria: hasta 1868

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Dispensador automático ( Heron siglo II a.C.)

Primera máquina térmica de la Historia

Prehistoria: hasta 1868

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Mecanismo de Antikythera(S.I a.C.)

En 1900 descubierto en el mar Egeo: una computadora de 2000 años de antigüedad, el mecanismo de Antikythera.Reproduce con exactitud los movimientos del sol, la Luna y los 5 planetas conocidos.


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800‐1200 periodo Árabe

En estos años, los árabes hacen uso de reguladores flotantes para relojes y otras aplicaciones

Se utiliza el control on/off realimentado

La riqueza de las ciencias árabes –herederas de los griegos- se pierde con la toma de Bagdad (1258)

La iniciativa vuelve a Europa, con las bases de la revolución industrial


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Drebbel (1620)Regulador de temperatura de una incubadora

Huevos

Agua

Fuego

Mercurio

Alcohol

Gasescalientes

Tapadera


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Regulador de molino de Mead (1750)

Trataba de regular coordinadamente la velocidad de giro y la separación entre las muelas.

Utilizaba un regulador centrífugo


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La máquina de Vapor (1769‐1789)

Las primeras son anteriores, pero entre otras cosas Watt consiguió su regulación automática y con ello y otras cosas la hizo operativa


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La máquina de Vapor (1769‐1789)

El regulador lo incluye en 1789.


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Regulador Centrífugo (Boulton y Watt 1800)Prehistoria: hasta 1868

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Proliferación de reguladores

• En 1868 había del orden de 75000 máquinas de vapor con el regulador de Watt

• Al mejorar los sistemas mecánicos, disminuyó el rozamiento y la inercia, apareciendo problemas de oscilaciones e incluso inestabilidad (disparo)

• En paralelo se produce un auge de las matemáticas:o Laplace (1749‐1827)

o Fourier (1768‐1830)

o Couchy (1789‐1857)



Inestabilidad

• Problemas de estabilidad aparecieron también en mecanismos gobernados por reloj como telescopios

• Airy (astrónomo inglés, 1840) trató de formular el problema con herramientas propias de mecánica celeste


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Las bases de la teoría de control

• Maxwell (1868) establece las bases de la teoría de control (“On Governors” desarrollando el modelo en ecuación diferencial del sistema mecánico, linealizándo y asociando su comportamiento estable o inestable a las raíces de un determinado polinomio

• Vyschnegradsky asocia la inestabilidad del regulador de Watt a la disminución del rozamiento e inercia y aumento de la masa.

• Ambos son considerados los padres de la teoría de control de sistemas.

Control primitivo: 1868-1935


El análisis de la estabilidad

• Routh (1877) y Hurwitz (1895) establecen un procedimiento algebraico que proporciona condiciones necesarias y suficientes para la estabilidad.

• Lyapunov (1892) establece las condiciones de estabilidad de sistemas dinámicos (no lineales) por medio de la generalización del concepto de energía. Su trabajo no llega a occidente hasta 1960. Gracias a él Rusia lleva el primer satélite al espacio.


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La realimentación en las comunicaciones

• Los sistemas de telefonía precisan para las grandes distancias de poner amplificadores a lo largo de la línea

• La acumulativa no linealidad de estos origina grandes distorsiones

• Black (1932) en ATT incorpora la realimentación al amplificador, mejorando de este modo su linealidad (ancho de banda). Se acuña el concepto de feedback.



Métodos frecuenciales

• La realimentación trae en ocasiones problemas de estabilidad (como ocurrió con el regulador de Watt)

• Los procedimientos establecidos por Maxwell y Routh‐Hurwitz para el análisis son inoperativos al tener un amplificador del orden de 50 elementos acumuladores de energía (orden de la ecuación diferencial)

• Nyquist (1932) establece un método para analizar la estabilidad, basado en medidas experimentales del comportamiento frecuencial del amplificador

• Bode (1940) establece la representación de magnitud y fase y los márgenes de estabilidad que permiten el diseño de controladores robustos

Periodo clásico: 1935-1960

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EL regulador PID

• El regulador PID (Minorsky 1922)se empezó a utilizar de manera estándar en control de procesos

• 1940 se crea el laboratorio de Radiación del MIT (control de radares), y de ahí saldrán la mayoría de los avances posteriores.

• Ziegler y Nichols (1942) proponen un ajuste heurístico del regulador PID

• Evans (1948) desarrolla el método del lugar de las raíces para análisis y diseño de sistemas realimentados

• En la década de los 50 el control de satélites origina el desarrollo de nuevas teorías y procedimientos de control (estado), al percatarse de que eran insuficientes las técnicas de representación externa



Auge de la metodología específica

• Nyquist, Bode, Nichols, Hazen, Brown, etc. Tanto en AT&T como en el MIT, como distintas industrias, fundan un comité específico de Control Automático.

• Se han sentado las bases y lenguaje del análisis en el dominio del tiempo así como en el de la frecuencia, la cual es especialmente exitosa por su tratamiento del ruido.

• La II Guerra Mundial y en concreto los servomecanismos antiáreos, disparan el desarrollo de herramientas matemáticas muy eficientes: Márgenes de Ganancia, de Fase, Diagramas de bloque (abstraen del sistema físico), etc.

• Se abordan los sistemas no‐lineales y los sistemas muestreados


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El Control Moderno

• Llega la era espacial: sistemas multivariables fuertemente no lineales

• El ordenador como elemento de controlo Sistemas digitales muestreados

o Concepto de observabilidad y controlabilidad

o Sistemas no‐lineales, estocásticos, digitales

Periodo moderno: desde 1960


El Control Moderno• Kalman revoluciona el Control

Automático. 3 artículos en 1960o Control no‐lineal y variante en el tiempo

(Lyapunov pasa a occidente (USA))

o Control optimo de sistemas, LQR y representación interna. MIMO, Algebra y Algebra lineal

o Estocástico: filtrado y estimación: el filtro de Kalman, la observabilidad y controlabilidad

Periodo moderno: desde 1960

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Desde….• Jury y Kuo : control digital y teoría asociada. 1963

• Horowitz (1963) adaptación MIMO de la teoría clasica y control robusto

• Aström (89): Control adaptativo

• MBPC (90‐actualidad): diversos controles basados en Modelo (ASIMO)

• Control inteligente (70‐ ): lógica borrosa, redes neuronales, evolutivos, tolerancia a fallos…

• Control robusto y teoría de H∞ (Doyle, Glover…)

• Modelado e Identificación.

Aplicaciones


Desde….

• Sondas Voyager (77)o Control de los 60o Voyager 2 se lanzó en el 77, y tal y como estaba

previsto, en el 89, 12 años después y unos 4.500.000.000 Km llegó a un puntito llamado Urano

Aplicaciones

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…hasta la Cisterna

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y mucho más: vehiculos, drones…

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y mucho más: Fuente Conmutada

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Enfoque de un laser

Aplicaciones

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Control de un microscopio

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Seguidor, y regulador solar

Aplicaciones

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Más Ejemplos…

• Control de velocidad de Disco, CD

• Impresoras

• La lavadora (Fuzzy)

• El Horno

• Climatizador

• Ventilación forzada del motor

• Posición y orientación de un satélite (Control Optimo)

• Orientación de molinos de viento y ángulo de palas.

• Móvil ajuste de tensiones…

• …

Aplicaciones


Automática

• “Es la ciencia que trata de los métodos y procedimientos cuya finalidad es la sustitución del operador humano por un operador artificial en la ejecución de una tarea física y/o mental previamente programada” Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales

• El objetivo de la Automática es crear sistemas autónomos para su aplicación industrial.

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Automática

En cierto sentido cambia el enfoque clásico de la tecnología:

• Tecnología: aprovechar la naturaleza y las fuentes de energía en beneficio del hombre. Sustituyen o ayudan al hombre en sus esfuerzos físicos.

• La automática supone esto, pero además propone la sustitución del operador humano de estas máquinas.

Regulación Automática y “control automático” son términos equivalentes.


Automática

El desarrollo de la automática se basa en tres supuestos:

• Considerar la realidad como sistemas

• Suponer que las características o prestaciones de los mismos son mejorables

• Estudiar e introducir mejoras en los mismos, en el sentido de transformarlos en sistemas automáticos.

IDEA IMPORTANTE: la automática, y con ella la teoría de sistemas, es una ciencia aplicada, en la que se deben buscar soluciones reales a problemas reales.

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Terminología

• Regulación Automática

• Teoría de Control

• Ingeniería de Sistemaso Término anglosajón

o En el fondo refleja la múltiple aplicación:

cibernética (N. Wiener)

teoría de la información (C.Shannon y W.Weaver)

la dinámica de sistemas (J.Forrester).

estudios ecológico culturales (e.g. M.Sahlins, R.Rappaport)

organizaciones y empresas (e.g. D.Katz y R.Kahn)

AUTOMÁTICA

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