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CONTROL ANALÓGICO ANALÓGICO - UNIDAD UNIDAD 1

Historia de los sistemas de control • Para entender el propósito del sistema de control, es útil examinar

Diapositivas CLASE 1 HISTORIA

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Historia de los sistemas de control

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Historia de los sistemas de control ns tr tr uy uyó un • Philon Philon de Bizancio Bizancio, co ns

• Ktesibios, en el siglo III antes de Cristo diseña un reloj de

sist sistem ema a de regu regula laci ción ón de nive nivell de una lámpara lámpara de aceite. aceite.

agua, conocido también como Clepsydra. . O T C I n á G m Ó z L u A G N A a L n a i O r R d T A N z O u L C G N I . C O D

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Tom Tomad ado o de: de: http://automata.cps.unizar.es/Historia/Webs/Introducci onI htm

ejemplo de sistemas de control a través de la historia. Estos tempranos sistemas incorporan muchas de las mismas ideas de realimentación realimentación que son usados hoy en día. • La práctica de la ingeniería de control moderna incluye el uso de diseño de estrategias estrategias de control para perfeccionar procesos de manufactura, la eficiencia de la energía usada, avances en el control del automóvil, etc. • La ingeniería está en entender y controlar los materiales y las fuerzas de la naturaleza para el beneficio de la humanidad. • La ingeniería de control está basada en la fundamentación de la teoría de realimentación y el análisis de sistemas lineales, integra los conceptos de teoría de redes y teoría de la comunicación. comunicación. Por consiguiente la la teoría de control no está limitada para ninguna disciplina de la ingeniería; pero es igualmente aplicable a la aeronáutica, química, mecánica, medio ambiente, cine, etc, comprensión de la dinámica de negocios, sistemas políticos.

uan do do s e co ns ns um um e e l ac ei ei te te d el el • C ua depó depósi sito to de la base base de la lámp lámpar ara aa través través de b, entraaireen entraaireen el depósi depósito to el cual evacua aceite a través de d . En el instante en que el depó depósi sito to se llen llene e deja dejará rá de entr entra ar ai re re en a y de ja jar á d e s al al ir ir a ce ce itit e por d . Con este sistema no se cons conseg eguí uía a un nive nivell cons consta tant nte e en el depósito pero se aseguraba la reca recarg rga a de este este cuan cuando do el acei aceite te se iba consumiendo. consumiendo.

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• Unos de los primeros sistemas realimentados de la historia son los dispensadores de vino cuyo funcionamiento se describe en los libr os d e H er ón. E l q ue se ob ser va e n la f igu ra se ba sab a en e l principiode los vasos comunicantes, y conseguíaque el volumen de vino suministrado fuera constante. La válvula f permanecía abierta hasta que el elemento sensor (el flotador) la cerraba por el efecto de los vasos comunicantes.

• Solo quesubiro bajar elnivel del flotador paradecidirel nivel del depósito a.

• El sistema de esta figura también fue diseñado por Herón. • El vino era servido desde un r ecipientea que se comunicaba con . O T C n I á G m Ó z L A u N G A a L n a i O r R d T A N z O u C L

otro recipiente c por medio de un vaso comunicante. De forma que cuando se cogía vino de a el nivel de c bajaba y el flotador d abría la válvula. Entonces el vino caía dentro de c procedente de un gran depósito e hasta que la altura de a y c hacía que el flotador volviera a tapar la válvula.

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• En la Edad Media cabría resaltar la realización de un sistema de

• Herón también construye

Tomado de: http://automata.cps.unizar.es/Historia/Webs/Introducci onI htm

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Historia de los sistemas de control un Odómetro, un instrumento dedicado a medir la distancia recorrida por un vehículo. E l s is tem a u ti li zad o er a muy ingenioso y consistía en un a t ran sm is ió n q ue cada vez que daba una vuelta la rueda final caía una bola en un co nte ned or. S ol o ha bí a que contar el número de bolas para conocer la distancia recorrida.

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control de un molino de harina realizado por H.U. Lansperg hacia el 1200, de forma que la cantidad de grano suministrada al molino dependía de la fuerza del viento y la dureza del propio grano, permitiendo que el sistema funcionará en condiciones óptimas, no se pretendía moler a velocidad constante. • Este distribuidor de grano es considerado como uno de los reguladores de la historia. El grano llegaba a la rueda de molienda a través de un alimentador con una pendiente muy pequeña, de forma que el grano no se movía si el alimentador estaba en reposo. • El eje de la rueda moledora tenia una serie de aristas que golpeaban el alimentador. A cada golpe caía una pequeña cantidad de grano de forma que cuanto mayor fuera la velocidad del viento mayor era la cantidad de grano. Por equilibrio de energía se produce el efecto de la realimentación.

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• 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 modo que se aprovechara mejor la dirección del viento. Se trataba del primer servomecanismo de posición. Fue patentado bajo el nombre de "Self-regulatingWind Machine". En esta patente [Lee 1745] se describen dos mecanismos: El

molinillo de cola, el cual no gira si no se encuentra en la dirección normal al viento, y por lo tanto no hace girar la cúpula del molino. Un variador automático del ángulo de ataque de las aspas. Con el que se podía regular la velocidad de giro de las aspas del molino. Este segundo mecanismo no se llego a realizar debido a su complicación constructiva. El ingenio de Lee se implantó rápidamente en Inglaterra y en el norte de Alemania.

• Sistema de orientación de lasaspasde losm olinos. . O T G n á O L m Á z N u A G L a O n a R i T r N d A O C z u L

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• Cuando el grano de trigo es molido, la calidad de la harina producida depende fuertemente de dos factores: de la distancia entre las dos ruedas, la móvil y la fija, y de la velocidad de rotación de la primera. • En las últimas décadas del siglo XVII, se dedican muchos esfuerzos investigadores a desarrollar dispositivos que consigan controlar estos dos factores. • En 1787, Thomas Mead patenta un diseño que combinaba la solución de los dos problemas. El invento [Mead 1787] disponía de un regulador que aseguraba que la presión ejercida entre las piedras del molino fuera proporcional a la velocidad de rotación. Este se combinaba con otro ingenio que variaba el ángulo de ataque de las aspas del molino, de forma que se controlaba la velocidad del molino.


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• Este ingenio resulta particularmente interesante dado que M ead

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utiliza como sensor de velocidad un péndulo rotativo precursor de los reguladores centrífugos.


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• El primer sistema realimentado inventado en Europa moderna fue el regulador de temperatura de Cornelis-Drebbel(1572 – 1633) en Holanda. Mantenía constante una temperatura en una cámara. El aire caliente escapaba de la cámara, para ser regulada.

• El sistema funciona de la siguiente manera, el compartimiento . O T G n á O L m Á z N u A G L a O n a R i T r N d A O C z u L G N I . C O D

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• 1 76 5: P ol zu no v i nv en tó

primer flotación. . O T G n á O L m Á z N u A G L a O n a R i T r d N A O C z u L G N I . C O D

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• Dennos

Papin (1647 – 1712) inventó el primer regulador de presión para calderas a vapor en 1681. El regulador de presión de Papin fue una forma de regulador de seguridad similar a la válvula de presión de unaolla.

donde están los huevos, esta rodeado por otro por donde hay una circulación de fuego y gases de la combustión, debajo del mismo hay un tubo que contiene alcohol y que al calentarse produce la dilatación del mismo, este a su vez empuja al mercurio, contenido en un vaso que tiene a modo de pistón una placa metálica, que flota en el mercurio, al aumentar la presión ejercida por el alcohol, cuando aumenta la temperatura, el flotador sube. El flotador tiene una barra que transmite el movimiento a un mecanismo que transforma su movimiento vertical ascendente en otro movimiento vertical descendente que mueve una válvula que cierra la salida de los gases de la combustión y limita el fuego en el quemador, esto hace que la temperatura no aumente y todo el sistema la mantiene en un determinado valor.

regulador

el por

• El

primer sistema de realimentación histórico fue desarrollado en Rusia, es un flotador regulador que nos dice el nivel del ag ua y fue inventado por I - Polzunov en 1765.

• El flotador detecta el nivel del

agua y controla la válvula que tapa la entrada de agua en el recipiente.


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Historia de los sistemas de control •

Los primeros antecedentes históricos de la máquina de vapor se remontan a la antigua Grecia. En el siglo II antes de Cristo Herón de Alejandría construyo la primera turbina de vapor conocida, la conocida comoAelópila de Herón.

Historia de los sistemas de control • 1769: James Watt inventa la máquina de Vapor y su sistema de control . O T G n á O L m Á z N u A G L a O n a R i T r N d A O C z u L


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• 1800: Whitney desarrolló el concepto de partes intercambiables en

• Un cinturón o correa transmite el movim iento circular, de la

maquina a una polea, la misma hace girar a una columna central, esta produce un movimiento centrifugo a dos bolas solidarias a la columna. • Tanto la bola derecha como la izquierda se van separando de la

columna y tiran para abajo a una pieza móvil que mueve a una barra móvil, el movimiento indicado como f de la barra móvil, produce del otro extremo un movimiento l, que cierra la válvula

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manufactura. . O T G n á O L m Á z N u A G L a O n a R i T r d N A O C z u L G N I . C O D

• 1868: J.C. Maxwell formuló un modelo matemático para el control de la máquina de vapor de Watt.

• 1913: Henry F ord mecanizó el ensamblaje de automóviles. • 1927: H.W. Bode analizó los primeros amplificadores retroalimentados.

• 1932: H. Nyquist desarrollo un método para el análisis de estabilidad de los sistemas.


de vapor y limita la velocidad de la máquina.


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Acerca de la técnica y la regulación.

• 1952: MIT (Massachussets Instituteof Technology) realiza el desarrollo de controladores numéricos.

• 1954: Georges Devol desarrolló el primer diseño de robot industrial.

• 1970: el control de espacio de estados y el control óptimo fueron un paso claro para el desarrollo de la ingeniería de control.

• 1994: la mecatrónica se volvió de uso común en los automóviles.. • Actualmente, conceptos como control estocástico, control inteligente ( difuso y neuronal), control por modos deslizantes y control adaptivo son ampliamente utilizados en el campo de la ingeniería de control.


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Conceptos


línea es una parte importante de las discusiones sociales de la actualidad. La técnica y la regulación, dicen los críticos, deben ser los medios para alcanzar las metas deseadas para el bienestar humano. Entonces el riesgo latente es que el medio se empiece a ver como una meta , en tanto que la meta inicial se pierde de vista.


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Representaciones gráficas.

• Ingeniería de control: rama de la ingeniería que tiene como método desarrollar métodos generales para la regulación de sistemas de acuerdo con las intenciones dadas. • Proceso: sistema técnico o de cualquier otra área que tenga cambios de estado de acuerdo con condiciones dadas. • Un ingeniero de control se preguntará: • ¿Cuáles son las entradas y salidas del sistema? • ¿Cuál es el objeto a regular? • ¿Qué señales de medición tengo? • ¿Qué tipo de regulador es el adecuado?

• Enfoque de la ingenieríautilidad • ¿Bajo qué criterios se considera útil? • Racionalización efectivización y remuneración. • La critica contra el pensamiento u nilateral en esta


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• Diagrama general del proceso. • Diagrama detallado del proceso • Diagrama del proceso e instrumentación. • Diagrama de flujo • Diagrama de bloques.


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Formas de regulación Sistemas de regulación de lazo abierto (open loop control system).

Formas de regulación Sistemas de regulación de lazo abierto (open loop control system).

• El sistema de control no tiene información del valor de la señal de salida. Por tanto, si se produce una desviación entre el valor esperado . O T G n y el valor real de salida, el sistema no podrá intervenir de manera á O L m Á z N u autónoma en su corrección. A G L a O n a R i T r N d A O C z u L


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Componentes de un lazo de control

Sistema de control de lazo cerrado (closed loop control system) • Observación de lo que realmente pasa en el objeto a regular. • Las medidas de regulación se modifiquen y se ajusten a las observaciones hechas.

Perturbaciones

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Objeto a regular Observación

Influencia Señal de regulación

Utensilio de regulación

Señal de medición


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Señal de referencia

Disturbios Señal (perturbaciones Señal de Comparador regulada ) regulación Señal de + salida Unidad Regulador Proceso de + regulació n Señal de Señal error de entrada Unidad de medición Señal medida comparador

bloque 


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Aplicaciones de la ingeniería de control

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• Medicina y bioingeniería • Control de vehículos • Instrumentación • Sistemaarmamentista • Ingenieríaambiental • Industria del proceso • Ingeniería espacial • Industria de la producción • Industria de la manufactura


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Herramientas matemáticas para sistemas de tiempo continuo • Ecuaciones diferenciales • Transformada de Laplace • Linearización de ecuaciones diferenciales no lineales con las series de Taylor

Clasificación de los sistemas


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De acuerdo con sus leyes físicas estos pueden ser: • Mecánicos • Eléctricos • Térmicos • Fluidos • Sociales • Mezcla de sistemas De acuerdo con sus propiedades, es decir, de acuerdo con el carácter de entrada y salida • Estáticos/dinámicos • Lineal/no lineal • Invariables / variables en el tiempo • Monovariable / multivariable • Parámetros concentrados • continuos • Discretos • Determinísticos / estocásticos


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