Ingeniería de Control: ¿Qué es? (Y su Historia)
¿Qué es la Ingeniería de Control
La ingeniería de sistemas de control es la rama de la ingeniería que se ocupa de los principios de la teoría del control para diseñar un sistema que produzca el comportamiento deseado de manera controlada. Por lo tanto, aunque la ingeniería de control a menudo se enseña dentro de la ingeniería eléctrica en la universidad, es un tema interdisciplinario.
Los ingenieros de sistemas de control analizan, diseñan y optimizan sistemas complejos que consisten en una coordinación altamente integrada de elementos mecánicos, eléctricos, químicos, metalúrgicos, electrónicos o neumáticos. Por lo tanto, la ingeniería de control se ocupa de una diversa gama de sistemas dinámicos que incluyen la interfaz humana y tecnológica. Estos sistemas se denominan ampliamente sistemas de control.
La ingeniería de sistemas de control se centra en el análisis y diseño de sistemas para mejorar la velocidad de respuesta, la precisión y la estabilidad del sistema.
Los dos métodos de sistemas de control incluyen los métodos clásicos y modernos. El modelo matemático del sistema se establece como primer paso, seguido de análisis, diseño y pruebas. Se verifican las condiciones necesarias para la estabilidad y, finalmente, se realiza la optimización.
En el método clásico, el modelado matemático suele realizarse en el dominio del tiempo, el dominio de la frecuencia o el dominio complejo. La respuesta al escalón de un sistema se modela matemáticamente en el análisis diferencial del dominio del tiempo para encontrar su tiempo de asentamiento, % de sobrepaso, etc. Las transformadas de Laplace son las más comúnmente utilizadas en el dominio de la frecuencia para encontrar la ganancia en bucle abierto, el margen de fase, el ancho de banda, etc. del sistema. El concepto de la función de transferencia, criterios de estabilidad de Nyquist, muestreo de datos, diagrama de Nyquist, polos y ceros, diagramas de Bode, retrasos del sistema, todo esto se engloba bajo la corriente de la ingeniería de control clásica.
La ingeniería de control moderna se ocupa de sistemas de Entrada Múltiple Salida Múltiple (MIMO), enfoque del espacio de estados, valores propios y vectores, etc. En lugar de transformar ecuaciones diferenciales ordinarias complejas, el enfoque moderno convierte ecuaciones de orden superior en ecuaciones diferenciales de primer orden y las resuelve por el método vectorial.
Los sistemas de control automático son los más comúnmente utilizados, ya que no implican control manual. La variable controlada se mide y se compara con un valor especificado para obtener el resultado deseado. Como resultado de los sistemas automatizados para fines de control, el costo de la energía o el poder, así como el costo del proceso, se reducirá, aumentando su calidad y productividad.
Historia de los Sistemas de Control
Se cree que la aplicación de los sistemas de control automático se usaba incluso desde las civilizaciones antiguas. Varios tipos de relojes de agua se diseñaron e implementaron para medir el tiempo con precisión desde el siglo III a.C., por griegos y árabes. Pero el primer sistema automático se considera el Gobernador de Válvula de Watts en 1788, que inició la revolución industrial. El modelado matemático del Gobernador fue analizado por Maxwell en 1868. En el siglo XIX, Leonhard Euler, Pierre Simon Laplace y Joseph Fourier desarrollaron diferentes métodos de modelado matemático. El segundo sistema se considera el Damper Flapper de Al Butz, un termostato en 1885. Él fundó la empresa que ahora se llama Honeywell.
El comienzo del siglo XX se conoce como la edad dorada de la ingeniería de control. Durante este tiempo, se desarrollaron los métodos clásicos de control en el Laboratorio Bell por Hendrik Wade Bode y Harry Nyquist. Se desarrollaron controladores automáticos para el timón de barcos por Minorsky, matemático ruso-estadounidense. También introdujo el concepto de control integral y derivativo en la década de 1920. Mientras tanto, el concepto de estabilidad fue presentado por Nyquist y seguido por Evans. Las transformadas se aplicaron en los sistemas de control por Oliver Heaviside. Los métodos de control modernos se desarrollaron después de 1950 por Rudolf Kalman, para superar las limitaciones de los métodos clásicos. Se introdujeron los PLC en 1975.
Tipos de Ingeniería de Control
La ingeniería de control tiene su propia categorización dependiendo de las diferentes metodologías utilizadas. Los principales tipos de ingeniería de control incluyen:
Ingeniería de Control Clásica
Ingeniería de Control Moderna
Ingeniería de Control Robusta
Ingeniería de Control Óptima
Ingeniería de Control Adaptativa
Ingeniería de Control No Lineal
Teoría de Juegos
Ingeniería de Control Clásica
Los sistemas suelen representarse mediante ecuaciones diferenciales ordinarias. En la ingeniería de control clásica, estas ecuaciones se transforman y analizan en un dominio transformado. Transformada de Laplace, transformada de Fourier y transformada z son ejemplos. Este método se utiliza comúnmente en sistemas de entrada única salida única (SISO).
Ingeniería de Control Moderna
En la ingeniería de control moderna, las ecuaciones diferenciales de orden superior se convierten en ecuaciones diferenciales de primer orden. Estas ecuaciones se resuelven de manera muy similar al método vectorial. Al hacerlo, se resuelven muchas complicaciones que se manejan al resolver ecuaciones diferenciales de orden superior.
Estos se aplican en sistemas de Entrada Múltiple Salida Múltiple donde el análisis en el dominio de la frecuencia no es posible. Las no linealidades con múltiples variables se resuelven mediante la metodología moderna. Vectores de espacio de estado, valores propios y vectores propios pertenecen a esta categoría. Las variables de estado describen las entradas, salidas y variables del sistema.
Ingeniería de Control Robusta
En la metodología de control robusto, se miden los cambios en el rendimiento del sistema con el cambio en los parámetros para la optimización. Esto ayuda a ampliar la estabilidad y el rendimiento, así como a encontrar soluciones alternativas. Por lo tanto, en el control robusto, se consideran el entorno, las inexactitudes internas, los ruidos y las perturbaciones para reducir el fallo en el sistema.
Ingeniería de Control Óptima
En la ingeniería de control óptima, el problema se formula como un modelo matemático del proceso, restricciones físicas y de rendimiento, para minimizar la función de coste. Por lo tanto, la ingeniería de control óptima es la solución más factible para diseñar un sistema con el menor coste.
Ingeniería de Control Adaptativa
