Control automático
en la industria . Un poco de historia , aspectos generales .
La aplicación del principio de realimentación
tiene sus comienzos en máquinas e instrumentos muy sencillos
, algunos de los cuales se remontan a 2000 años atrás
. El aparato mas primitivo
que emplea el principio de control por realimentación
fue desarrollado por un griego llamado Ktsibios aproximadamente
300 años A.C. . Se trataba de un reloj de agua como
el mostrado en la figura el cual medía el pasaje del
tiempo por medio de una pequeño chorro de agua que
fluía a velocidad constante dentro de un recipiente
. |
| El mismo poseía
un flotante que subía a medida que el tiempo transcurría
. Ktsibios resolvió el problema del mantenimiento del
caudal constante de agua inventando un aparato semejante al
usado en los carburadores de los motores modernos . Entre el
suministro de agua y el tanque colector había una regulación
de caudal de agua por medio de una válvula flotante que
mantenía el nivel constante . Si el nivel se elevaba
( como resultado de un incremento en la presión de suministro
por ejemplo ) , el flotante se elevaba restringiendo el caudal
de agua en el recipiente regulador hasta que el flotante volvía
al nivel específico . En
el siglo IX el regulador de nivel a flotante es reinventado
en Arabia . En este caso se usaba para mantener el nivel constante
en los bebederos de agua . En el siglo XVI , en Inglaterra
se usaba el principio de realimentación para mantener
automáticamente las paletas de los molinos de viento
en una posición normal a la dirección del viento
. En el siglo XVII , en Inglaterra se inventaba el termostato
que se aplicaba para mantener la temperatura constante de
una incubadora . |
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En primer usa
del control automático en la industria parece haber
sido el regulador centrífugo de la máquina de
vapor de Watt en el año 1775 aproximadamente . Este
aparato fue utilizado para regular la velocidad de la máquina
manipulando el caudal de vapor por medio de una válvula
. Por lo tanto , están presentes todos los elementos
de realimentación . Aún cuando el principio
de control por realimentación desde muchos años
en la antigüedad , su estudio teórico aparece
muy tarde en el desarrollo de la tecnología y la ciencia
.
El primer análisis de
control automático es la explicación matemática
del regulador centrífugo por James Clerk Maxwell en
1868 .
Mas tarde la técnica
del regulador se adjudicó a otras máquinas y
turbinas y a principio del siglo XX comenzó la aplicación
de reguladores y servomecanismos en reguladores de energía
térmica al gobierno de buques . La primera teoría
general sobre control automático , pertenece a Nyquist
en el famoso artículo “Teoría de la regeneración
“. Este estudio sentó las bases para la determinación
de la estabilidad de sistemas sin necesidad de resolver totalmente
las ecuaciones diferenciales . Otros desarrollos en servomecanismos
y amplificadores eléctricos dieron origen a muchas
técnicas de frecuencia y lugar geométrico que
se usan hoy en día . Las aplicaciones generales al
control de procesos no comenzaron hasta la década del
’30 . Las técnicas de control se consagraron
rápidamente , tal es así que ya en los años
’40 funcionaban redes de control relativamente complejas
.
En casi todas la fases de procesos
industriales se utilizan aparatos de control automático
. Se usan corrientemente en :
1- Industrias de procesamiento
como la del petróleo , química , acero , energía
y alimentación para el control de la temperatura ,
presión , caudal y variables similares .
2- Manufactura de artículos
como repuestos o partes de automóviles , heladeras
y radio , para el control del ensamble , producción
, tratamiento térmico y operaciones similares .
3- Sistemas de transporte ,
como ferrocarriles , aviones , proyectiles y buques .
4- Máquinas herramientas
, compresores y bombas , máquinas generadoras de energía
eléctrica para el control de posición , velocidad
y potencia . |
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Algunas de la muchas ventajas del
control automático , ya muy difundido , son las siguientes
:
a) Aumentó en la cantidad o número de productos
b) Mejora de la calidad de los productos
c) Economía de materiales
d) Economía de energía o potencia
e) Economía de equipos industriales
f) Reducción d inversión de mano de obra en tareas
no especializadas .
Estos factores generalmente contribuyen
a aumentar la productividad . La difusión de la aplicación
del control automático en la industria ha creado la necesidad
de elevar el nivel de la educación de un sector de obreros
semiespecializados , capacitándolos para desempeñar
tareas de mayor responsabilidad: el manejo y mantenimiento de equipos
e instrumentos de control .
Cibernética
e instrumentación
La ciencia de la cibernética
e instrumentación se ocupa de los fenómenos
de comunicación y control en la naturaleza , las máquinas
o el hombre. Hay dos sectores de trabajo en el campo de la
instrumentación e información |
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a) Estudio de la teoría de
comunicación e información
b) Estudio de la teoría de control y realimentación
.
Las leyes importantes de comunicación
y control tratan de la información concerniente al estado
y comportamiento de los sistemas y no se ocupan de la energía
o de la transferencia de energía dentro del sistema . El
uso de la energía es del orden secundario para el propósito
principal de control o comunicación .
La teoría de la comunicación
e información se basa en el concepto de que todas las ideas
pueden expresarse en mensajes traducibles al lenguaje común
. La cantidad de información puede ser definida y por lo
tanto se puede medir , y en consecuencia , se puede enunciar que
gobierna la transmisión de la información . La tecnología
de la medición , telemetría , televisión ,
estructura del lenguaje , sistemas numéricos y computación
automática, emplean las ideas básicas de información
y manejo y procesamiento de datos .
El campo del control automático
desde el punto de vista práctico se puede dividir en tres
secciones :
a) Control de procesos que involucran
cambios químicos y de estado .
b) Control de manufactura que involucra cambio de forma .
c) Control de posición fundamentalmente , con niveles de
potencia por encima de unos pocos Watt .
Sistemas de control .
Definición de sistema :
a) Un “sistema”es un ordenamiento , conjunto o colección
de cosas conectadas o relacionadas de manera que constituyan un
todo
b) Un “sistema”es un ordenamiento de componentes físicos
conectados o relacionados de manera que formen una unidad completa
p que puedan actuar como tal .
La palabra “control”generalmente
se usa para designar “regulación”, dirección
o “comando”. Al combinar las definiciones anteriores
se tiene :
Un sistema de control es un ordenamiento de componentes físicos
conectados de tal manera que el mismo pueda comandar , dirigir o
regularse a sí mismo o a otro sistema .
En el sentido mas abstracto es posible considerar cada objeto físico
como un sistema de control . Cada cosa altera su medio ambiente
de alguna manera , activa o positivamente .
| El caso de un espejo
que dirige un haz de luz que incide sobre él , puede
considerarse como un sistema elemental de control , que controla
el haz de luz de acuerdo con la relación “el ángulo
de reflexión es igual al ángulo de incidencia”.
En la ingeniería y en la ciencia se restringe el significado
de sistemas de control al aplicarlo a los sistemas cuya función
principal es comandar , dirigir , regular dinámica o
activamente . |
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El sistema ilustrado en la figura
a la derecha , que consiste en un espejo pivoteado en uno de sus
extremos y que se puede mover hacia arriba o hacia abajo por medio
de un tornillo en el otro extremo , se denomina propiamente un sistema
de control . En ángulo de la luz reflejada se regula por
medio del tornillo .
Ejemplos de sistemas de control .
Los sistemas de control abundan en
el medio ambiente del hombre . Antes de mostrar esto , se definirán
los términos entrada y salida que ayudarán a identificar
o definir al sistema de control .
La entrada es el estímulo o la excitación que se aplica
a un sistema de control desde una fuente de energía externa
, generalmente con el fin de producir de parte del sistema de control
, una respuesta especificada .
La salida es la respuesta obtenida del sistema de control . Puede
no ser igual a la respuesta especificada que la entrada implica
. El objetivo del sistema de control generalmente identifica a define
la entrada y la salida . Dadas éstas es posible determinar
o definir la naturaleza de los componentes del sistema .
Los sistemas de control pueden tener mas de una entrada o salida
. Existen tres tipos básicos de sistemas de control :
1.Sistemas de control hechos por el hombre.
2.Sistemas de control naturales , incluyendo sistemas biológicos
.
3. Sistemas de control cuyos componentes están unos hechos
por el hombre y los otros son naturales .
Ejemplo 1 .
Un conmutador eléctrico es un sistema de control ( uno de
los mas rudimentarios ) hecho por el hombre , que controla al flujo
de electricidad . Por definición , el aparato o la persona
que actúa sobre el conmutador no forma parte de este sistema
de control . La entrada la constituye la conmutación del
dispositivo tanto hacia el estado de conducción como hacia
el de corte . La salida la constituye la presencia o ausencia del
flujo ( dos estados ) de electricidad .
Ejemplo 2 .
Un calentador o calefactor controlado por medio de un termostato
que regula automáticamente la temperatura de un recinto .
La entrada de este sistema es una temperatura de referencia , (
generalmente se especifica graduando el termostato convenientemente
) . La salida es la temperatura del recinto . Cuando el termostato
detecta que la salida es menor que la entrada , el calefactor produce
calor hasta que la temperatura del recinto sea igual a la entrada
de referencia . Entonces , el calefactor se desconecta automáticamente
.
Ejemplo 3.
La indicación de un objeto con un dedo requiere de un sistema
de control biológico constituido principalmente por los ojos,
el brazo , la mano , el dedo y el cerebro de un hombre . La entrada
es la dirección precisa del objeto ( en movimiento o no )
con respecto a una referencia , y la salida es la dirección
que se indica con respecto a la misma referencia .
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