Ingeniería de control

Los sistemas de control desempeñan un papel crítico en el vuelo espacial

Ingeniería de control o ingeniería de sistemas de control es una disciplina de ingeniería que se ocupa de los sistemas de control, aplicando la teoría de control para diseñar equipos y sistemas con comportamientos deseados en entornos de control. 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.

La práctica utiliza sensores y detectores para medir el rendimiento de salida del proceso que se está controlando; estas medidas se utilizan para proporcionar información correctiva que ayude a lograr el rendimiento deseado. Los sistemas diseñados para funcionar sin requerir 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

La ingeniería de control moderna es un campo de estudio relativamente nuevo que ganó mucha atención durante el siglo XX con el avance de la tecnología. Puede definirse en términos generales o clasificarse como 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; usar herramientas de diseño de sistemas de control para desarrollar controladores para esos sistemas; e implementar controladores en sistemas físicos empleando la tecnología disponible. Un sistema puede ser mecánico, eléctrico, de fluidos, químico, financiero o biológico, y su modelado matemático, análisis y diseño de controlador utiliza la teoría de control en uno o muchos de los dominios de tiempo, frecuencia y complejos, dependiendo de la naturaleza del diseño. problema.

Historia

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

Los sistemas de control automático se desarrollaron por primera vez hace más de dos mil años. Se cree que el primer dispositivo de control de retroalimentación registrado es el antiguo reloj de agua de Ktesibios en Alejandría, Egipto, alrededor del siglo III a. Mantuvo el tiempo regulando el nivel de agua en un recipiente y, por lo tanto, el flujo de agua de ese recipiente. Sin duda, este fue un dispositivo exitoso ya que todavía se fabricaban relojes de agua de diseño similar en Bagdad cuando los mongoles capturaron la ciudad en 1258 EC. A lo largo de los siglos se ha 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. Hitos entre comentarios, o "bucle cerrado" Los dispositivos de control automático incluyen el regulador de temperatura de un horno atribuido a Drebbel, alrededor de 1620, y el gobernador de bola centrífuga utilizado para regular la velocidad de las máquinas de vapor por James Watt en 1788.

En su artículo de 1868 "Sobre los gobernadores", James Clerk Maxwell pudo explicar las inestabilidades exhibidas por el gobernador flyball usando 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 avanzó significativamente durante el próximo siglo. Las nuevas técnicas matemáticas, así como los avances en las 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 control óptimo en las décadas de 1950 y 1960, seguidos de avances en métodos de control estocástico, robusto, adaptativo y no lineal en las décadas de 1970 y 1980. Las aplicaciones de la metodología de control han ayudado a hacer posibles los viajes espaciales y los satélites de comunicación, 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 mediante 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 efectivo que todavía se usa ampliamente en algunas centrales hidroeléctricas es el gobernador. Más tarde, antes de la electrónica de potencia moderna, los ingenieros mecánicos idearon sistemas de control de procesos para aplicaciones industriales utilizando dispositivos de control neumáticos e hidráulicos, muchos de los cuales todavía se utilizan en la actualidad.

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 de sistema SISO clásico

El alcance de la teoría de control clásica se limita al diseño de sistemas de una sola entrada y una sola salida (SISO), excepto cuando se analiza el rechazo de perturbaciones con una segunda entrada. El análisis del sistema se lleva a cabo en el dominio del tiempo utilizando ecuaciones diferenciales, en el dominio de las s complejas con la transformada de Laplace, o en el dominio de la frecuencia transformando desde el dominio de las s complejas. Se puede suponer que muchos sistemas tienen una respuesta de sistema de variable única y de segundo orden en el dominio del tiempo. Un controlador diseñado utilizando la teoría clásica a menudo requiere ajuste en el sitio debido a aproximaciones de diseño incorrectas. Sin embargo, debido a la implementación física más sencilla 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 utilizando la teoría de control clásica son los controladores PID. Una implementación menos común puede incluir uno o ambos filtros de Adelanto o Atraso. El objetivo final final es cumplir con los requisitos que normalmente se proporcionan en el dominio del tiempo denominado respuesta escalonada o, a veces, en el dominio de la frecuencia denominado respuesta de bucle abierto. Las características de respuesta escalonada aplicadas en una especificación suelen ser el porcentaje de sobreimpulso, el tiempo de estabilización, etc. Las características de respuesta de bucle abierto aplicadas en una especificación suelen ser el margen de ganancia y fase y el ancho de banda. Estas características pueden evaluarse mediante simulación que incluye un modelo dinámico del sistema bajo control junto con el modelo de compensación.

Diseño moderno del sistema MIMO

La teoría de control moderna se lleva a cabo en el espacio de estado 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 un análisis en el dominio de la frecuencia. En el diseño moderno, un sistema se representa con mayor ventaja como un conjunto de ecuaciones diferenciales de primer orden desacopladas definidas mediante variables de estado. Las teorías de control no lineal, multivariable, adaptativo y robusto se incluyen en esta división. Los métodos matriciales están significativamente limitados para los sistemas MIMO donde no se puede asegurar la independencia lineal en la relación entre entradas y salidas. Siendo bastante nueva, la teoría de control moderna tiene muchas áreas aún por explorar. Académicos como Rudolf E. Kálmán y Aleksandr Lyapunov son bien conocidos entre las personas que han dado forma a la teoría de control moderna.

Sistemas de control

La ingeniería de control es la disciplina de 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 estos controladores no necesitan ser eléctricos, muchos lo son y, por lo tanto, la ingeniería de control a menudo se considera un subcampo de la ingeniería eléctrica.

Los circuitos eléctricos, los procesadores de señales digitales y los microcontroladores se pueden usar 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 cuando diseñan 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 retroalimenta al sistema, que ajusta el par del motor en consecuencia. Donde hay retroalimentación regular, la teoría de control puede usarse para determinar cómo responde el sistema a tal retroalimentación. En prácticamente 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 ejecuta un ciclo predeterminado sin el uso de sensores.

Educación en ingeniería de control

En muchas universidades de todo el mundo, los cursos de ingeniería de control se imparten principalmente en ingeniería eléctrica e ingeniería mecánica, pero algunos cursos se pueden impartir en ingeniería mecatrónica e ingeniería aeroespacial. En otros, la ingeniería de control está conectada 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 de control dentro de la ingeniería química a menudo se conoce 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 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 de ingeniería de control especializados, por ejemplo, en Italia hay varios másteres en Automatización & Robótica totalmente especializada en ingeniería de control o el Departamento de Ingeniería de Sistemas y Control Automático de la Universidad de Sheffield o el Departamento de Ingeniería de Robótica y Control de la Academia Naval de los Estados Unidos y el Departamento de Ingeniería de Control y Automatización de la Universidad Técnica de Estambul.

La ingeniería de control tiene aplicaciones diversificadas que incluyen la ciencia, la gestión financiera e incluso el comportamiento humano. Los estudiantes de ingeniería de control pueden comenzar con un curso de sistema de control lineal que se ocupe del dominio del tiempo y de los complejos, 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 de dominio de frecuencia y tiempo. Los cursos de control digital y control no lineal requieren transformación Z y álgebra respectivamente, y se podría decir que completan una educación básica en control.

Carreras de ingeniería de control

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 normalmente 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. Los ingenieros de control posiblemente pueden ganar $66k al año de Lockheed Martin Corp. También pueden ganar hasta $96k al año de General Motors Corporation.

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 ellos son carreras específicas que se parecen un poco a la carrera general de ingeniería de control. La mayoría de los ingenieros de control que respondieron la encuesta en 2019 son diseñadores de sistemas o productos, o incluso ingenieros de control o instrumentos. La mayoría de los trabajos involucran ingeniería de procesos o producción o incluso mantenimiento, son alguna variación de la ingeniería de control.

Avance reciente

Originalmente, la ingeniería de control tenía que ver con los sistemas continuos. El desarrollo de herramientas de control por computadora planteó un requisito de ingeniería de sistemas 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 consisten en componentes tanto digitales como analógicos.

Por lo tanto, en la etapa de diseño, los componentes digitales se asignan al dominio continuo y el diseño se lleva a cabo en el dominio continuo, o los componentes analógicos se asignan al 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 unos pocos controladores digitales.

Del mismo modo, la técnica de diseño ha progresado del diseño manual basado en papel y regla al diseño asistido por computadora y ahora al diseño automatizado por computadora o CAD que ha sido posible gracias a la computación evolutiva. 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 sistemas de control novedosos, basados únicamente en un requisito de rendimiento, independientemente de cualquier esquema de control específico.

Los sistemas de control resilientes amplían el enfoque tradicional de abordar solo las perturbaciones planificadas a los marcos e intentan abordar múltiples tipos de perturbaciones inesperadas; en particular, adaptando y transformando comportamientos del sistema de control en respuesta a actores maliciosos, modos de falla anormales, acción humana indeseable, etc.