¿Qué es la ingeniería de control
Ingeniería de sistemas de control es la rama de la ingeniería que se ocupa de los principios de la teoría de control, para diseñar un sistema que dé el comportamiento deseado de manera controlada. Por lo tanto, aunque la ingeniería de control se enseña a menudo 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. Así pues, la ingeniería de control se ocupa de una diversa gama de sistemas dinámicos que incluyen la interfaz humana y tecnológica. Estos sistemas se denominan en general sistemas de control.
La ingeniería de sistemas de control se centra en el análisis y el diseño de sistemas para mejorar la velocidad de respuesta, la precisión y la estabilidad del sistema.
Los dos métodos de control incluyen métodos clásicos y métodos modernos. El modelo matemático del sistema se establece como el primer paso seguido por el análisis, el diseño y las pruebas. Se comprueban las condiciones necesarias para la estabilidad y, finalmente, se procede a la optimización.
En el método clásico, el modelado matemático se hace generalmente en el dominio del tiempo, el dominio de la frecuencia o el dominio complejo. La respuesta al paso de un sistema se modela matemáticamente en el análisis diferencial en el dominio del tiempo para encontrar su tiempo de asentamiento, % de sobregiro, etc. Laplace se transforma se utilizan más comúnmente en el dominio de la frecuencia para encontrar la ganancia de bucle abierto, el margen de fase, el ancho de banda, etc. del sistema. El concepto de la función de transferencia, Criterios de estabilidad del níquel…el muestreo de los datos, La trama de Nyquist…polos y ceros, Gráficas de Bode…los retrasos del sistema se enmarcan en la corriente clásica de la ingeniería de control.
La moderna ingeniería de control se ocupa de los sistemas de entrada múltiple y salida (MIMO), el enfoque espacial de los estados, los valores propios y los vectores, etc. En lugar de transformar las complejas ecuaciones diferenciales ordinarias, el enfoque moderno convierte las ecuaciones de orden superior en ecuaciones diferenciales de primer orden y se resuelven por el método vectorial.
Los sistemas de control automático son los más utilizados, ya que no implican un 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, el costo de la energía o la potencia, así como el costo del proceso, se reducirá aumentando su calidad y productividad.
Historia de los sistemas de control
Se cree que la aplicación del sistema de control automático se utiliza incluso desde las antiguas civilizaciones. Los griegos y los árabes diseñaron y pusieron en práctica varios tipos de relojes de agua para medir el tiempo con precisión desde el siglo III a.C. Pero el primer sistema automático se considera como el Watts Fly ball Governor en 1788, que inició la revolución industrial. El modelo matemático del Gobernador es analizado por Maxwell en 1868. En el 19th Leonhard Euler, Pierre Simon Laplace y Joseph Fourier desarrollaron diferentes métodos para el modelado matemático. El segundo sistema se considera como Al Butzs Damper Flapper un termostato en 1885. Él comenzó la compañía que ahora se llama Honeywell.
El comienzo de los 20th se conoce como la edad de oro de la ingeniería de control. Durante este tiempo los métodos clásicos de control fueron desarrollados en el Laboratorio Bell por Hendrik Wade Bode y Harry Nyquist. Los controladores automáticos para dirigir barcos fueron desarrollados por Minorsky, matemático ruso-americano. También introdujo el concepto de Control Integral y Derivado en los años 20. Mientras tanto, el concepto de estabilidad fue propuesto por Nyquist y seguido por Evans. Las transformaciones fueron aplicadas en los sistemas de control por Oliver Heaviside. Los métodos modernos de control fueron desarrollados después de los años 50 por Rudolf Kalman, para superar la limitación de los métodos clásicos. Los PLCs fueron introducidos 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 Clásico
- La moderna ingeniería de control
- Ingeniería de control robusta
- Ingeniería de control óptimo
- Ingeniería de control adaptativa
- Ingeniería de control no lineal
- Teoría del juego
Ingeniería de Control Clásico
Los sistemas suelen representarse mediante el uso de ecuaciones diferenciales ordinarias. En la ingeniería de control clásica, estas ecuaciones se transforman y analizan en un dominio transformado. Laplace transformar, Transformación de Fourier y la transformación z son ejemplos. Este método se utiliza comúnmente en los sistemas de entrada única y salida única (SISO).
La moderna ingeniería de control
En el moderno ingeniería de controllas ecuaciones diferenciales de orden superior se convierten en ecuaciones diferenciales de primer orden. Estas ecuaciones se resuelven de manera muy similar al método vectorial. De esta manera, se resuelven muchas de las complicaciones que se presentan al resolver las ecuaciones diferenciales de alto orden.
Se aplican en los sistemas de entrada múltiple y salida múltiple en los que no es posible el análisis en el dominio de la frecuencia. Las no linealidades con múltiples variables se resuelven con la metodología moderna. Los vectores espaciales de estado, los valores propios y los vectores propios pertenecen a esta categoría. Las variables de estado describen las variables de entrada, salida y del sistema.
Ingeniería de control robusta
En la metodología de control robusto, se miden los cambios en el rendimiento del sistema con el cambio de los parámetros 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 inexactitudes internas, los ruidos y las perturbaciones reducen el fallo del sistema.
Ingeniería de control óptimo
En ingeniería de control óptimaEl problema se formula como un modelo matemático del proceso, las restricciones físicas y las limitaciones de rendimiento, para minimizar la función de costo. Así pues, la ingeniería de control óptima es la solución más factible para diseñar un sistema con un costo mínimo.
Ingeniería de control adaptativa
En ingeniería de control adaptativaLos controladores empleados son controladores adaptativos en los que los parámetros se hacen adaptables por algún mecanismo. El diagrama de bloques que figura a continuación muestra un sistema de control adaptativo.
En este tipo de controladores, además de la retroalimentación normal del proceso, existe un bucle adicional para el ajuste de los parámetros.
Ingeniería de control no lineal
Ingeniería de control no lineal se centra en las no linealidades que no pueden representarse 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 no lineal.
Teoría del juego
En la teoría del juego, cada sistema tendrá que reducir su función de costo contra las perturbaciones/ruidos. Por lo tanto, es un estudio de conflicto y cooperación. Las perturbaciones intentarán maximizar la función de coste. Esta teoría está relacionada con una ingeniería de control robusta y óptima.
