La ingeniería de control o ingeniería de sistemas de control es una disciplina de la ingeniería que se ocupa de los sistemas de control , aplicando la teoría del control para diseñar equipos y sistemas con comportamientos deseados en 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 controla; Estas mediciones se utilizan para proporcionar retroalimentación correctiva que ayude 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 . [2]
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 o clasificarse ampliamente como una aplicación práctica de la teoría del control . La ingeniería de control desempeña un papel esencial en una amplia gama de sistemas de control, desde simples lavadoras domésticas hasta aviones de combate de alto rendimiento . Busca comprender los sistemas físicos, utilizando modelaciones matemáticas, en términos de entradas, salidas y diversos componentes con diferentes comportamientos; utilizar 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 varios de los dominios de tiempo , frecuencia y complejos , dependiendo de la naturaleza del diseño. problema.
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 estos controladores no tienen por qué ser eléctricos, muchos lo son y, por tanto, la ingeniería de control suele considerarse un subcampo de la ingeniería eléctrica.
Para implementar sistemas de control se pueden utilizar circuitos eléctricos , procesadores de señales digitales y microcontroladores . 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 suele lograrse utilizando un sistema de controlador PID . Por ejemplo, en un automóvil con control de crucero, la velocidad del vehículo se controla continuamente y se devuelve al sistema, que ajusta el par del motor en consecuencia. Cuando hay retroalimentación regular, se puede utilizar la teoría del control para determinar cómo responde el sistema a dicha retroalimentación. En prácticamente todos estos sistemas la estabilidad es importante y la teoría del 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 circuito abierto es una lavadora que realiza un ciclo predeterminado sin el uso de sensores .
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 del que se tiene registro fue el antiguo reloj de agua de Ktesibios en Alejandría , Egipto, alrededor del siglo III a.C. Mantenía el tiempo regulando el nivel del 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 han utilizado diversos 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 los dispositivos de control automático de retroalimentación o "circuito cerrado" incluyen el regulador de temperatura de un horno atribuido a Drebbel , alrededor de 1620, y el regulador 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 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. 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. Nuevas técnicas matemáticas, así como avances en tecnologías electrónicas e informáticas, hicieron posible controlar sistemas dinámicos significativamente más complejos de los que podía estabilizar el regulador de flyball original. Las nuevas técnicas matemáticas incluyeron desarrollos en control óptimo en las décadas de 1950 y 1960, seguidos por 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 comunicaciones, aviones más seguros 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 del 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 tensión. 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 utiliza 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.
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Un sistema de control gestiona, ordena, dirige o regula el comportamiento de otros dispositivos o sistemas mediante bucles de control . Puede variar desde un único controlador de calefacción doméstico que utiliza un termostato que controla una caldera doméstica hasta grandes sistemas de control industriales que se utilizan para controlar procesos o máquinas. Los sistemas de control se diseñan mediante un proceso de ingeniería de control.
Para el control modulado continuamente, se utiliza un controlador de retroalimentación para controlar automáticamente un proceso u operación. El sistema de control compara el valor o estado de la variable de proceso (PV) que se controla con el valor o punto de ajuste deseado (SP) y aplica la diferencia como señal de control para llevar la salida de la variable de proceso de la planta al mismo valor que la punto fijo.
Para la lógica secuencial y combinacional , se utiliza la lógica de software , como en un controlador lógico programable . [ se necesita aclaración ]La teoría del control es un campo de la ingeniería de control y las matemáticas aplicadas que se ocupa del control de sistemas dinámicos en procesos y máquinas de ingeniería. El objetivo es desarrollar un modelo o algoritmo que gobierne la aplicación de las entradas del sistema para conducir el sistema a un estado deseado, minimizando al mismo tiempo cualquier retraso , sobreimpulso o error de estado estable y garantizando un nivel de estabilidad de control ; a menudo con el objetivo de lograr un grado de optimización .
Para ello se necesita un controlador con el comportamiento correctivo necesario. Este controlador monitorea la variable de proceso controlada (PV) y la compara con la referencia o punto de ajuste (SP). La diferencia entre el valor real y deseado de la variable de proceso, llamada señal de error o error SP-PV, se aplica como retroalimentación para generar una acción de control para llevar la variable de proceso controlada al mismo valor que el punto de ajuste. Otros aspectos que también se estudian son la controlabilidad y la observabilidad . La teoría del control se utiliza en la ingeniería de sistemas de control para diseñar la automatización que ha revolucionado la fabricación, la aviación, las comunicaciones y otras industrias, y ha creado nuevos campos como la robótica .
Generalmente se hace un uso extensivo de un estilo esquemático conocido como diagrama de bloques . En él, la función de transferencia , también conocida como función del sistema o función de red, es un modelo matemático de la relación entre la entrada y la salida basado en las ecuaciones diferenciales que describen el sistema.
La teoría del control data del siglo XIX, cuando James Clerk Maxwell describió por primera vez la base teórica para el funcionamiento de los gobernadores . [3] La teoría del control fue avanzada por Edward Routh en 1874, Charles Sturm y en 1895, Adolf Hurwitz , quienes contribuyeron al establecimiento de criterios de estabilidad del control; y a partir de 1922, el desarrollo de la teoría del control PID por parte de Nicolas Minorsky . [4]
Aunque una aplicación importante de la teoría del control matemático es la ingeniería de sistemas de control , que se ocupa del diseño de sistemas de control de procesos para la industria, otras aplicaciones van mucho más allá de esto. Como teoría general de los sistemas de retroalimentación, la teoría del control es útil dondequiera que se produzca retroalimentación; por lo tanto, la teoría del control también tiene aplicaciones en las ciencias biológicas, la ingeniería informática, la sociología y la investigación de operaciones . [5]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 pueden impartirse en ingeniería mecatrónica , [6] 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 de la automoción). El campo del control dentro de la ingeniería química a menudo se conoce como control de procesos . Se trata principalmente del control de variables en un proceso químico en una planta. Se enseña como parte del plan de estudios universitario de cualquier programa de ingeniería química y emplea muchos de los mismos principios en 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 cual se pueda derivar un modelo adecuado. Sin embargo, existen departamentos de ingeniería de control especializados, por ejemplo, en Italia hay varios másteres en Automatización y Robótica que están totalmente especializados en ingeniería de control o el Departamento de Ingeniería de Sistemas y Control Automático de la Universidad de Sheffield [7] o el Departamento de Ingeniería de Robótica y Control en la Academia Naval de los Estados Unidos [8] y el Departamento de Ingeniería de Control y Automatización de la Universidad Técnica de Estambul. [9]
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 trate el dominio del tiempo y 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 en el dominio de la frecuencia y el 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.
La carrera de un ingeniero de control comienza con una licenciatura y puede continuar durante el proceso universitario. Los títulos de ingeniero de control combinan bien con un título de ingeniería eléctrica o mecánica. Los ingenieros de control suelen conseguir trabajos en gestión técnica, donde suelen liderar proyectos interdisciplinarios. Hay muchas oportunidades laborales en empresas aeroespaciales, empresas manufactureras, empresas automotrices, empresas eléctricas y agencias gubernamentales. Algunos lugares que contratan ingenieros de control incluyen empresas como Rockwell Automation, NASA, Ford y Goodrich. [10] Los ingenieros de control posiblemente puedan ganar 66.000 dólares al año de Lockheed Martin Corp. También pueden ganar hasta 96.000 dólares al año de General Motors Corporation. [11]
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 clasificadas 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 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. [12]
Originalmente, la ingeniería de control giraba en torno a sistemas continuos. El desarrollo de herramientas de control por computadora planteó un requisito de la 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 constan de 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 algunos controladores digitales.
De manera similar, la técnica de diseño ha progresado desde el diseño manual basado en papel y regla hasta el 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 sólo para ajustar un esquema de control predefinido, sino también para optimizar la estructura del controlador, identificar sistemas e inventar nuevos sistemas de control, basados puramente en un requisito de rendimiento, independiente de cualquier esquema de control específico. [13] [14]
Los sistemas de control resilientes extienden el enfoque tradicional de abordar sólo 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 maliciosos, modos de falla anormales, acciones humanas indeseables, etc. [15]
