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Los sistemas de control juegan un papel fundamental en los vuelos espaciales

La ingeniería de control o la ingeniería de sistemas de control es una disciplina de ingeniería que aplica la teoría de control para diseñar equipos y sistemas con los comportamientos deseados en los entornos de control . [1] La disciplina de los controles se superpone y generalmente se enseña junto con la ingeniería eléctrica y la ingeniería mecánica en muchas instituciones de todo el mundo. [1]

La práctica utiliza sensores y detectores para medir el rendimiento de salida del proceso que se está controlando; estas mediciones se utilizan para proporcionar retroalimentación correctiva que ayuda a lograr el rendimiento deseado. Los sistemas diseñados para funcionar sin necesidad de intervención humana se denominan sistemas de control automático (como el control de crucero para regular la velocidad de un automóvil). De naturaleza multidisciplinaria , las actividades de ingeniería de sistemas de control se centran en la implementación de sistemas de control derivados principalmente del modelado matemático de una amplia gama de sistemas .

Resumen [ editar ]

La ingeniería de control moderna es un campo de estudio relativamente nuevo que ganó una atención significativa durante el siglo XX con el avance de la tecnología. Puede definirse ampliamente o clasificarse como una aplicación práctica de la teoría del control . La ingeniería de control juega un papel esencial en una amplia gama de sistemas de control, desde simples lavadoras domésticas hasta aviones de combate F-16 de alto rendimiento . Busca comprender los sistemas físicos, utilizando modelos matemáticos, en términos de entradas, salidas y varios componentes con diferentes comportamientos; utilizar herramientas de diseño de sistemas de control para desarrollar controladores para esos sistemas; e implementar controladores en sistemas físicos que empleen la tecnología disponible. Un sistema puede sermecánico , eléctrico , de fluidos , químico , financiero o biológico , y su modelado matemático, análisis y diseño de controladores utiliza la teoría de control en uno o muchos de los dominios de tiempo , frecuencia y complejos , dependiendo de la naturaleza del problema de diseño.

Historia [ editar ]

El control de columnas de fraccionamiento es una de las aplicaciones más desafiantes

Los sistemas de control automático se desarrollaron por primera vez hace más de dos mil años. El primer dispositivo de control de retroalimentación en el expediente se cree que es el antiguo Ktesibios 's reloj de agua en Alejandría , Egipto alrededor del siglo III aC Se mantuvo el tiempo mediante la regulación del nivel de agua en un recipiente y, por lo tanto, el flujo de agua procedente de ese buque. Este ciertamente fue un dispositivo exitoso ya que todavía se fabricaban relojes de agua de diseño similar en Bagdad cuando los mongoles capturaronla ciudad en 1258 d. C. A lo largo de los siglos se han utilizado una variedad de dispositivos automáticos para realizar tareas útiles o simplemente para entretener. Este último incluye los autómatas, populares en Europa en los siglos XVII y XVIII, con figuras danzantes que repetían la misma tarea una y otra vez; estos autómatas son ejemplos de control de bucle abierto. Los hitos entre la retroalimentación, o dispositivos de control automático de "circuito cerrado", incluyen el regulador de temperatura de un horno atribuido a Drebbel , alrededor de 1620, y el gobernador de bola de aire centrífugo utilizado para regular la velocidad de las máquinas de vapor por James Watt en 1788.

En su artículo de 1868 "On Governors", James Clerk Maxwell pudo explicar las inestabilidades exhibidas por el gobernador flyball utilizando ecuaciones diferenciales para describir el sistema de control. Esto demostró la importancia y utilidad de los modelos y métodos matemáticos para comprender fenómenos complejos, y marcó el comienzo del control matemático y la teoría de sistemas. Los elementos de la teoría del control habían aparecido antes, pero no de manera tan dramática y convincente como en el análisis de Maxwell.

La teoría del control logró avances significativos durante el siglo siguiente. Las nuevas técnicas matemáticas, así como los avances en tecnologías electrónicas e informáticas, hicieron posible controlar sistemas dinámicos significativamente más complejos que los que podía estabilizar el gobernador flyball original. Las nuevas técnicas matemáticas incluyeron desarrollos en el control óptimo en las décadas de 1950 y 1960, seguidos de avances en métodos de control estocásticos, robustos, adaptativos y no lineales en las décadas de 1970 y 1980. Las aplicaciones de la metodología de control han ayudado a hacer posible los viajes espaciales y los satélites de comunicaciones, aeronaves más seguras y eficientes, motores de automóviles más limpios y procesos químicos más limpios y eficientes.

Antes de que surgiera como una disciplina única, la ingeniería de control se practicaba como parte de la ingeniería mecánica y la teoría de control se estudiaba como parte de la ingeniería eléctrica, ya que los circuitos eléctricos a menudo se pueden describir fácilmente utilizando técnicas de teoría de control. En las primeras relaciones de control, una salida de corriente estaba representada por una entrada de control de voltaje. Sin embargo, al no contar con la tecnología adecuada para implementar sistemas de control eléctrico, los diseñadores se quedaron con la opción de sistemas mecánicos menos eficientes y de respuesta lenta. Un controlador mecánico muy eficaz que todavía se usa ampliamente en algunas plantas hidroeléctricas es el gobernador . Posteriormente, anterior a la electrónica de potencia moderna, los sistemas de control de procesos para aplicaciones industriales fueron ideados por ingenieros mecánicos que utilizan dispositivos de control neumáticos e hidráulicos , muchos de los cuales todavía se utilizan en la actualidad.

Teoría del control [ editar ]

Artículo principal: Teoría del control

Hay dos divisiones principales en la teoría de control, a saber, clásica y moderna, que tienen implicaciones directas para las aplicaciones de ingeniería de control.

Diseño clásico del sistema SISO [ editar ]

El alcance de la teoría de control clásica se limita al diseño de sistemas de entrada única y salida única (SISO), excepto cuando se analiza el rechazo de perturbaciones utilizando una segunda entrada. El análisis del sistema se realiza en el dominio del tiempo mediante ecuaciones diferenciales , en el dominio del complejo s con la transformada de Laplace., o en el dominio de la frecuencia mediante la transformación del dominio del complejo s. Se puede suponer que muchos sistemas tienen una respuesta de sistema de una sola variable y de segundo orden en el dominio del tiempo. Un controlador diseñado utilizando la teoría clásica a menudo requiere un ajuste in situ debido a aproximaciones de diseño incorrectas. Sin embargo, debido a la implementación física más fácil de los diseños de controladores clásicos en comparación con los sistemas diseñados utilizando la teoría de control moderna, estos controladores son los preferidos en la mayoría de las aplicaciones industriales. Los controladores más comunes diseñados con la teoría de control clásica son los controladores PID.. Una implementación menos común puede incluir uno o ambos filtros de adelanto o de retraso. El objetivo final final es cumplir con los requisitos que normalmente se proporcionan en el dominio del tiempo llamado respuesta escalonada, o en ocasiones en el dominio de la frecuencia llamado respuesta de bucle abierto. Las características de respuesta al escalón aplicadas en una especificación son típicamente porcentaje de sobreimpulso, tiempo de estabilización, etc. Las características de respuesta de lazo abierto aplicadas en una especificación son típicamente ganancia y margen de fase y ancho de banda. Estas características pueden evaluarse mediante simulación que incluya un modelo dinámico del sistema bajo control junto con el modelo de compensación.

Diseño moderno del sistema MIMO [ editar ]

La teoría de control moderna se lleva a cabo en el espacio de estados y puede tratar con sistemas de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO). Esto supera las limitaciones de la teoría de control clásica en problemas de diseño más sofisticados, como el control de aviones de combate, con la limitación de que no es posible ningún análisis en el dominio de la frecuencia. En el diseño moderno, un sistema se representa con la mayor ventaja como un conjunto de ecuaciones diferenciales de primer orden desacopladas definidas utilizando variables de estado . Control no lineal , multivariable , adaptativo y robustolas teorías entran en esta división. Los métodos de matriz están significativamente limitados para los sistemas MIMO donde no se puede asegurar la independencia lineal en la relación entre entradas y salidas [ cita requerida ] . Al ser bastante nueva, la teoría de control moderna tiene muchas áreas aún por explorar. Eruditos como Rudolf E. Kalman y Aleksandr Lyapunov son bien conocidos entre las personas que han dado forma a la teoría del control moderno.

Sistemas de control [ editar ]

La ingeniería de control es la disciplina de la ingeniería que se centra en el modelado de una amplia gama de sistemas dinámicos (por ejemplo , sistemas mecánicos ) y el diseño de controladores que harán que estos sistemas se comporten de la manera deseada. Aunque tales controladores no necesitan ser eléctricos, muchos lo son y, por lo tanto, la ingeniería de control se considera a menudo como un subcampo de la ingeniería eléctrica.

Los circuitos eléctricos , los procesadores de señales digitales y los microcontroladores se pueden utilizar para implementar sistemas de control . La ingeniería de control tiene una amplia gama de aplicaciones, desde los sistemas de vuelo y propulsión de aviones comerciales hasta el control de crucero presente en muchos automóviles modernos .

En la mayoría de los casos, los ingenieros de control utilizan la retroalimentación al diseñar sistemas de control . Esto a menudo se logra utilizando un sistema de controlador PID . Por ejemplo, en un automóvil con control de crucero , la velocidad del vehículo se monitorea continuamente y se retroalimenta al sistema, que ajusta el par del motor en consecuencia. Donde hay retroalimentación regular, la teoría de control se puede utilizar para determinar cómo responde el sistema a dicha retroalimentación. Prácticamente en todos estos sistemas, la estabilidad es importante y la teoría de control puede ayudar a garantizar que se logre la estabilidad.

Aunque la retroalimentación es un aspecto importante de la ingeniería de control, los ingenieros de control también pueden trabajar en el control de sistemas sin retroalimentación. Esto se conoce como control de bucle abierto . Un ejemplo clásico de control de bucle abierto es una lavadora que pasa por un ciclo predeterminado sin el uso de sensores .

Educación en ingeniería de control [ editar ]

En muchas universidades de todo el mundo, los cursos de ingeniería de control se imparten principalmente en la ingeniería eléctrica y la ingeniería mecánica , pero algunos cursos pueden ser instruidos en ingeniería mecatrónica , [2] y la ingeniería aeroespacial . En otros, la ingeniería de control está relacionada con la informática , ya que la mayoría de las técnicas de control actuales se implementan a través de computadoras, a menudo como sistemas integrados (como en el campo automotriz). El campo del control dentro de la ingeniería química se conoce a menudo como control de procesos.. Se ocupa principalmente del control de variables en un proceso químico en una planta. Se enseña como parte del plan de estudios de pregrado de cualquier programa de ingeniería química y emplea muchos de los mismos principios en la ingeniería de control. Otras disciplinas de la ingeniería también se superponen con la ingeniería de control, ya que se puede aplicar a cualquier sistema para el que se pueda derivar un modelo adecuado. Sin embargo, existen departamentos especializados de ingeniería de control, por ejemplo, el Departamento de Control Automático e Ingeniería de Sistemas de la Universidad de Sheffield [3] y el Departamento de Robótica e Ingeniería de Control de la Academia Naval de los Estados Unidos. [4]

La ingeniería de control tiene aplicaciones diversificadas que incluyen ciencia, gestión financiera e incluso comportamiento humano. Los estudiantes de ingeniería de control pueden comenzar con un curso de sistemas de control lineal que se ocupan del dominio del tiempo y del complejo, lo que requiere una formación completa en matemáticas elementales y transformada de Laplace , llamada teoría de control clásica. En control lineal, el estudiante realiza análisis en el dominio del tiempo y la frecuencia. Los cursos de control digital y control no lineal requieren transformación Z y álgebra respectivamente, y se podría decir que completan una educación básica de control.

Carreras de ingeniería de control [ editar ]

La carrera de un ingeniero de control comienza con una licenciatura y puede continuar durante el proceso universitario. Los títulos de ingeniero de control están bien emparejados con un título de ingeniería eléctrica o mecánica. Los ingenieros de control generalmente obtienen trabajos en la gestión técnica donde generalmente lideran proyectos interdisciplinarios. Hay muchas oportunidades de trabajo en empresas aeroespaciales, empresas de fabricación, empresas de automóviles, empresas de energía y agencias gubernamentales. Algunos lugares que contratan ingenieros de control incluyen empresas como Rockwell Automation, NASA, Ford y Goodrich. [5] Los ingenieros de control posiblemente pueden ganar $ 66 mil al año de Lockheed Martin Corp. También pueden ganar hasta $ 96 mil al año de General Motors Corporation. [6]

Según una encuesta de Ingeniería de control , la mayoría de las personas que respondieron eran ingenieros de control en diversas formas de su propia carrera. No hay muchas carreras que se clasifiquen como "ingeniero de control", la mayoría de ellas son carreras específicas que tienen una pequeña semejanza con la carrera general de ingeniería de control. La mayoría de los ingenieros de control que realizaron la encuesta en 2019 son diseñadores de sistemas o productos, o incluso ingenieros de control o de instrumentos. La mayoría de los trabajos involucran ingeniería de procesos o producción o incluso mantenimiento, son una variación de la ingeniería de control. [7]

Avance reciente [ editar ]

Originalmente, la ingeniería de control se trataba de sistemas continuos. El desarrollo de herramientas de control por computadora planteó un requisito de la ingeniería del sistema de control discreto porque las comunicaciones entre el controlador digital basado en computadora y el sistema físico están gobernadas por un reloj de computadora . El equivalente a la transformada de Laplace en el dominio discreto es la transformada Z . Hoy en día, muchos de los sistemas de control están controlados por computadora y constan de componentes digitales y analógicos.

Por lo tanto, en la etapa de diseño, los componentes digitales se mapean en el dominio continuo y el diseño se lleva a cabo en el dominio continuo, o los componentes analógicos se mapean en el dominio discreto y el diseño se lleva a cabo allí. El primero de estos dos métodos se encuentra más comúnmente en la práctica porque muchos sistemas industriales tienen muchos componentes de sistemas continuos, incluidos componentes mecánicos, de fluidos, biológicos y eléctricos analógicos, con algunos controladores digitales.

De manera similar, la técnica de diseño ha progresado desde el diseño manual basado en papel y reglas hasta el diseño asistido por computadora y ahora hasta el diseño automatizado por computadora o CAD, que ha sido posible gracias a la computación evolutiva . El CAD se puede aplicar no solo para ajustar un esquema de control predefinido, sino también para la optimización de la estructura del controlador, la identificación del sistema y la invención de nuevos sistemas de control, basados ​​puramente en un requisito de rendimiento, independiente de cualquier esquema de control específico. [8] [9]

Los sistemas de control resilientes extienden el enfoque tradicional de abordar solo las perturbaciones planificadas a los marcos e intentan abordar múltiples tipos de perturbaciones inesperadas; en particular, adaptar y transformar comportamientos del sistema de control en respuesta a actores malintencionados, modos de falla anormales, acciones humanas indeseables, etc. [10]

Ver también [ editar ]

  • Ingenieria Eléctrica
  • Ingeniería de Comunicaciones
  • Navegación satelital
  • Esquema de la ingeniería de control
  • Control de proceso avanzado
  • Automatización de edificios
  • Diseño automatizado por computadora (CAutoD, CAutoCSD)
  • Control de reconfiguración
  • Realimentación
  • H-infinito
  • Compensador de adelanto-retraso
  • Lista de temas de ingeniería de control
  • Teoría de la retroalimentación cuantitativa
  • Monociclo robótico
  • Espacio de Estados
  • Control de modo deslizante
  • Ingeniería de Sistemas
  • Controlador de prueba
  • VisSim
  • Ingeniería de control (revista)
  • EICASLAB
  • Series de tiempo
  • Sistema de control de procesos
  • Control robótico
  • Mecatrónica

Referencias [ editar ]

  1. ^ a b "Preguntas frecuentes sobre ingeniería de sistemas y control | Ingeniería eléctrica e informática" . ingenieria.case.edu . Universidad Case Western Reserve. 20 de noviembre de 2015 . Consultado el 27 de junio de 2017 .
  2. ^ Zhang, Jianhua. Ingeniería en Mecatrónica y Automatización 2º Ed. Actas de la Conferencia Internacional sobre Mecatrónica e Ingeniería de Automatización (ICMAE2016). Xiamen, China, 2016.
  3. ^ "ACSE - la Universidad de Sheffield" . Consultado el 17 de marzo de 2015 .
  4. ^ "Inicio del WRC" . Ingeniería de Armas, Robótica y Control de la USNA . Consultado el 19 de noviembre de 2019 .
  5. ^ "Preguntas frecuentes sobre ingeniería de sistemas y control | Informática y ciencia de datos / Ingeniería eléctrica, informática y de sistemas" . ingenieria.case.edu . 2015-11-20 . Consultado el 30 de octubre de 2019 .
  6. ^ "Salario de ingeniero de sistemas de control | Escala de pago" . www.payscale.com . Consultado el 30 de octubre de 2019 .
  7. ^ https://www.controleng.com/wp-content/uploads/sites/2/2019/05/Control-Engineering-2019-Career-and-Salary-Study.pdf
  8. ^ Tan, KC y Li, Y. (2001) Automatización del diseño del sistema de control basado en el rendimiento a través de la computación evolutiva. Aplicaciones de ingeniería de la inteligencia artificial, 14 (4). págs. 473-486. ISSN 0952-1976 , http://eprints.gla.ac.uk/3807/ 
  9. ^ Li, Y., et al. (2004). CACSD - Diseño de sistema de control automatizado por computadora habilitado para búsqueda y optimización evolutiva. Revista Internacional de Automatización y Computación, 1 (1). pp.76-88. ISSN 1751-8520 , http://eprints.gla.ac.uk/3818/ 
  10. ^ CG Rieger, DI Gertman y MA McQueen, "Sistemas de control resilientes: investigación de diseño de próxima generación", Segunda Conferencia de 2009 sobre interacciones del sistema humano, Catania, 2009, págs. 632-636. http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=5091051&isnumber=5090940

Lectura adicional [ editar ]

  • Christopher Kilian (2005). Tecnología de control moderna . Thompson Delmar Learning. ISBN 978-1-4018-5806-3.
  • Bennett, Stuart (junio de 1986). Una historia de la ingeniería de control, 1800-1930 . IET. ISBN 978-0-86341-047-5.
  • Bennett, Stuart (1993). Una historia de la ingeniería de control, 1930-1955 . IET. ISBN 978-0-86341-299-8.
  • Arnold Zankl (2006). Hitos en automatización: del transistor a la fábrica digital . Wiley-VCH. ISBN 978-3-89578-259-6.
  • Franklin, Gene F .; Powell, J. David; Emami-Naeini, Abbas (2014). Control de retroalimentación de sistemas dinámicos (7ª ed.). Stanford Cali. Estados Unidos: Pearson. pag. 880. ISBN 9780133496598.

Enlaces externos [ editar ]

  • Laboratorios de control en todo el mundo
  • El libro de texto abierto Controles y dinámica de procesos de ingeniería química de Michigan
  • Asociación de Integradores de Sistemas de Control
  • Lista de integradores de sistemas de control
  • Institución de Ingenieros Mecánicos - Grupo de Mecatrónica, Informática y Control (MICG)
  • Ciencia de sistemas e ingeniería de control: una revista de acceso abierto