Ingeniería de control: ¿Qué es? (Y su historia)

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¿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 dé los rendimientos deseados 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 amplia gama de sistemas dinámicos que incluyen interfaces humanas y tecnológicas. Estos sistemas se conocen ampliamente como sistemas de control .

sistema de control

La ingeniería de sistemas de control se enfoca en el análisis y diseño de sistemas para mejorar la velocidad de respuesta, precisión y estabilidad del sistema.

Los dos métodos del sistema de control incluyen métodos clásicos y métodos modernos. El modelo matemático del sistema se configura como el primer paso seguido del análisis, diseño y prueba. Se comprueban las condiciones necesarias para la estabilidad y, finalmente, sigue la optimización.

En el método clásico, el modelado matemático generalmente se realiza 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 en el dominio del tiempo para encontrar su tiempo de establecimiento,% de sobreimpulso, etc. Las transformadas de Laplace se usan más comúnmente en el dominio de frecuencia para encontrar la ganancia de lazo abierto, margen de fase, ancho de banda, etc. del sistema. . El concepto de la función de transferencia, los criterios de estabilidad de Nyquist , el muestreo de datos, la gráfica de Nyquist , los polos y ceros, las gráficas de Bode , los retrasos del sistema se incluyen en el marco de la corriente de ingeniería de control clásica.

La ingeniería de control moderna se ocupa de sistemas MIMO (Multiple Input Multiple Output), enfoque de 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 mediante el método vectorial.

Los sistemas de control automático se utilizan con mayor frecuencia 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 con fines de control, se reducirá el costo de energía o potencia, así como el costo del proceso, aumentando su calidad y productividad.

Historia de los sistemas de control

Se cree que la aplicación del sistema de control automático está en uso incluso desde las civilizaciones antiguas. Los griegos y los árabes diseñaron e implementaron varios tipos de relojes de agua para medir con precisión el tiempo desde el siglo III a. C. Pero el primer sistema automático se considera como el gobernador de bola Watts Fly en 1788, que inició la revolución industrial. La modelización matemática de gobernador se analiza por Maxwell en 1868. En el 19 º siglo, Leonhard Euler, Pierre Simon Laplace y Joseph Fourier desarrollado diferentes métodos para el modelado matemático. El segundo sistema se considera como Damper Flapper de Al Butz, un termostato en 1885. Comenzó la empresa que ahora se llama Honeywell.

El comienzo de la 20 ª siglo se conoce como la edad de oro de la ingeniería de control. Durante este tiempo, los métodos de control clásicos fueron desarrollados en el Laboratorio Bell por Hendrik Wade Bode y Harry Nyquist. Los controladores automáticos para pilotar barcos fueron desarrollados por Minorsky, matemático ruso-estadounidense. También introdujo el concepto de Control Integral y Derivado en la década de 1920. Mientras tanto, el concepto de estabilidad fue propuesto por Nyquist y seguido por Evans. Las transformaciones fueron aplicadas en sistemas de control por Oliver Heaviside. Los métodos de control modernos fueron desarrollados después de la década de 1950 por Rudolf Kalman, para superar la limitación de los métodos clásicos. Los PLC se introdujeron en 1975.

Tipos de ingeniería de control

La ingeniería de control tiene su propia categorización en función 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 óptimo
  • Ingeniería de control adaptativo
  • Ingeniería de control no lineal
  • Teoría de juego

Ingeniería de control clásica

Los sistemas generalmente se representan mediante ecuaciones diferenciales ordinarias. En la ingeniería de control clásica, estas ecuaciones se transforman y analizan en un dominio transformado. La transformada de Laplace , la transformada de Fourier y la transformada z son ejemplos. Este método se usa comúnmente en sistemas de entrada única y 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 de las complicaciones que surgen al resolver ecuaciones diferenciales de orden superior.

Estos se aplican en sistemas de múltiples entradas y múltiples salidas donde el análisis en el dominio de la frecuencia no es posible. Las no linealidades con múltiples variables se resuelven mediante una metodología moderna. Los vectores de espacio de estado, valores propios y vectores propios pertenecen a esta categoría. Las variables de estado describen las variables de entrada, salida y sistema.

Ingeniería de control robusta

En la metodología de control robusto, los cambios en el rendimiento del sistema con el cambio en los parámetros se miden para su optimización. Esto ayuda a ampliar la estabilidad y el rendimiento, y también a encontrar soluciones alternativas. Por lo tanto, en un control robusto, se considera que el entorno, las imprecisiones internas, los ruidos y las perturbaciones reducen la falla en el sistema.

Ingeniería de control óptimo

En la ingeniería de control óptimo , el problema se formula como un modelo matemático del proceso, las limitaciones físicas y las limitaciones de rendimiento, para minimizar la función de costes. Por tanto, la ingeniería de control óptima es la solución más viable para diseñar un sistema con un coste mínimo.

Ingeniería de control adaptativo

En la ingeniería de control adaptativo , los controladores empleados son controladores adaptativos en los que los parámetros se vuelven adaptables mediante algún mecanismo. El diagrama de bloques que se muestra a continuación muestra un sistema de control adaptativo.

Sistema de control adaptativo

En este tipo de controladores, está presente un bucle adicional para el ajuste de parámetros además de la retroalimentación normal del proceso.

Ingeniería de control no lineal

La ingeniería de control no lineal se centra en las no linealidades que no se pueden representar mediante el uso de ecuaciones diferenciales ordinarias lineales (es decir, no son sistemas de control lineal ). Este sistema exhibirá múltiples puntos de equilibrio aislados, ciclos límite, bifurcaciones con tiempo de escape finito. La principal limitación es que requiere un laborioso análisis matemático. En este análisis, el sistema se divide en la parte lineal y la parte no lineal.

Teoría de juego

En teoría de juegos, cada sistema tendrá que reducir su función de coste frente a las perturbaciones / ruidos. Por tanto, es un estudio del conflicto y la cooperación. Las perturbaciones intentarán maximizar la función de costes. Esta teoría está relacionada con la ingeniería de control robusta y óptima.

JORGE CABRERA BERRÍOS Administrator
Ingeniero Electrónico por la UNI, con maestría y doctorado por la University of Electro-Communications (Japón).

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