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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
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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.
Prehistoria: hasta 1868
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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
Prehistoria: hasta 1868
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Drebbel (1620)Regulador de temperatura de una incubadora
Huevos
Agua
Fuego
Mercurio
Alcohol
Gasescalientes
Tapadera
Prehistoria: hasta 1868
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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
Prehistoria: hasta 1868
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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
Prehistoria: hasta 1868
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La máquina de Vapor (1769‐1789)
El regulador lo incluye en 1789.
Prehistoria: hasta 1868
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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)
Prehistoria: hasta 1868
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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
Prehistoria: hasta 1868
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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
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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.
Control primitivo: 1868-1935
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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.
Control primitivo: 1868-1935
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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
Periodo clásico: 1935-1960
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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
Periodo clásico: 1935-1960
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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
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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
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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
Aplicaciones
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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
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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
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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 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.
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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