La ingeniería de control o ingeniería de sistemas de control o ingeniería de automatización (en algunos países europeos) 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. [1] La disciplina de los controles se superpone y generalmente se enseña junto con la ingeniería eléctrica , la ingeniería química y la ingeniería mecánica en muchas instituciones alrededor del 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 ayude a lograr el rendimiento deseado. Los sistemas diseñados para funcionar sin requerir la intervención humana se denominan sistemas de control automático (como el control de crucero para regular la velocidad de un automóvil). Las actividades de ingeniería de sistemas de control, de naturaleza multidisciplinaria , se centran en la implementación de sistemas de control derivados principalmente por 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 la aplicación práctica de la teoría de 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 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 empleando la tecnología disponible. Un sistema puede ser mecánico , 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.
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 utilizar para implementar sistemas de control . La ingeniería de control tiene una amplia gama de aplicaciones, desde los sistemas de vuelo y propulsión de los 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 se logra a menudo utilizando un sistema de controlador PID . Por ejemplo, en un automóvil con control de crucero , la velocidad del vehículo se monitorea continuamente y se envía de vuelta al sistema, que ajusta el par del motor en consecuencia. Cuando hay retroalimentación regular, se puede utilizar la teoría de control para determinar cómo responde el sistema a dicha retroalimentación. En prácticamente todos los sistemas de este tipo, 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 lazo abierto . Un ejemplo clásico de control de lazo abierto es una lavadora que funciona a través de 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 por retroalimentación del que se tiene registro es el antiguo reloj de agua de Ktesibios , de Alejandría ( Egipto), en torno al siglo III a. C. Este dispositivo marcaba el tiempo regulando el nivel de agua en un recipiente y, por tanto, el caudal de agua de dicho recipiente. Sin duda, se trató de un dispositivo de éxito, ya que todavía se fabricaban relojes de agua de diseño similar en Bagdad cuando los mongoles capturaron la ciudad en 1258 d. C. A lo largo de los siglos se han utilizado diversos dispositivos automáticos para realizar tareas útiles o simplemente para entretener. Entre estos últimos se incluyen los autómatas, populares en Europa en los siglos XVII y XVIII, que presentaban figuras danzantes que repetían la misma tarea una y otra vez; estos autómatas son ejemplos de control de bucle abierto. Entre los hitos entre los dispositivos de control automático por retroalimentación o de "bucle cerrado" se 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 reguladores", James Clerk Maxwell fue capaz de explicar las inestabilidades que presentaba el regulador de bola flotante utilizando ecuaciones diferenciales para describir el sistema de control. Esto demostró la importancia y la utilidad de los modelos y métodos matemáticos para comprender fenómenos complejos, y marcó el comienzo de la teoría matemática de sistemas y control. Los elementos de la teoría de control habían aparecido antes, pero no de forma tan espectacular y convincente como en el análisis de Maxwell.
La teoría del control avanzó significativamente durante el siglo siguiente. 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 el regulador flyball original podía estabilizar. Las nuevas técnicas matemáticas incluyeron avances en el control óptimo en los años 1950 y 1960, seguidos por el progreso en métodos de control estocásticos, robustos, adaptativos y no lineales en los años 1970 y 1980. Las aplicaciones de la metodología de control han ayudado a hacer posible 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 utilizando técnicas de teoría de control. En las primeras relaciones de control, una salida de corriente se representaba por una entrada de control de voltaje. Sin embargo, al no tener 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 . Más tarde, antes de la electrónica de potencia moderna , los sistemas de control de procesos para aplicaciones industriales fueron ideados por ingenieros mecánicos utilizando dispositivos de control neumáticos e hidráulicos , muchos de los cuales todavía se utilizan en la actualidad.
David Quinn Mayne (1930-2024) fue uno de los primeros desarrolladores de un método matemático riguroso para analizar algoritmos de control predictivo de modelos (MPC). Actualmente se utiliza en decenas de miles de aplicaciones y es una parte fundamental de la tecnología de control avanzada de cientos de productores de control de procesos. La principal fortaleza de MPC es su capacidad para tratar no linealidades y restricciones estrictas de una manera simple e intuitiva. Su trabajo sustenta una clase de algoritmos que son demostrablemente correctos, heurísticamente explicables y producen diseños de sistemas de control que cumplen objetivos importantes en la práctica. [3]
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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 abarcar 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 continuo, 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 está controlando con el valor deseado o punto de ajuste (SP), y aplica la diferencia como señal de control para que la salida de la variable de proceso de la planta tenga el mismo valor que el punto de ajuste.
Para la lógica secuencial y combinacional , se utiliza lógica de software , como en un controlador lógico programable . [ aclaración necesaria ]La teoría de 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 rija la aplicación de las entradas del sistema para conducir el sistema a un estado deseado, mientras se minimiza cualquier retraso , sobreimpulso o error de estado estable y se garantiza un nivel de estabilidad de control ; a menudo con el objetivo de lograr un grado de optimalidad .
Para ello, se requiere un controlador con el comportamiento correctivo requerido. Este controlador monitorea la variable de proceso controlada (PV) y la compara con el punto de referencia o punto de ajuste (SP). La diferencia entre el valor real y el 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 de 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 .
Se suele hacer un uso extensivo de un estilo diagramático 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 de control data del siglo XIX, cuando la base teórica para el funcionamiento de los reguladores fue descrita por primera vez por James Clerk Maxwell . [4] La teoría de control fue desarrollada aún más por Edward Routh en 1874, Charles Sturm y en 1895, Adolf Hurwitz , quienes contribuyeron al establecimiento de criterios de estabilidad de control; y desde 1922 en adelante, el desarrollo de la teoría de control PID por Nicolas Minorsky . [5]
Aunque una de las principales aplicaciones 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, existen otras aplicaciones que 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 de la vida, la ingeniería informática, la sociología y la investigación de operaciones . [6]En muchas universidades de todo el mundo, los cursos de ingeniería de control se enseñan principalmente en ingeniería eléctrica e ingeniería mecánica , pero algunos cursos pueden impartirse en ingeniería mecatrónica , [7] 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 de 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 especializados en ingeniería de control, por ejemplo, en Italia hay varios másteres en Automatización y Robótica que están totalmente especializados en ingeniería de control, como el Departamento de Control Automático e Ingeniería de Sistemas de la Universidad de Sheffield [8] o el Departamento de Robótica e Ingeniería de Control de la Academia Naval de los Estados Unidos [9] y el Departamento de Ingeniería de Control y Automatización de la Universidad Técnica de Estambul. [10]
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 de los complejos, lo que requiere una formación sólida en matemáticas elementales y la transformada de Laplace , llamada teoría de control clásica. En el control lineal, el estudiante realiza análisis del dominio de la frecuencia y del tiempo. Los cursos de control digital y control no lineal requieren la transformada Z y el álgebra respectivamente, y se podría decir que completan una educación básica en control.
La carrera de ingeniero de control comienza con una licenciatura y puede continuar durante el proceso universitario. Los títulos de ingeniero de control suelen ir acompañados de un título de ingeniería eléctrica o mecánica, pero también pueden ir acompañados de un título de ingeniería química. 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. [11]
No hay muchas carreras que se clasifiquen como "ingeniero de control", la mayoría de ellas son carreras específicas que tienen una pequeña similitud 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 de instrumentos. La mayoría de los trabajos involucran ingeniería de procesos o producción o incluso mantenimiento, son alguna variación de la ingeniería de control. [11]
Debido a esto, hay muchas oportunidades laborales en empresas aeroespaciales, empresas manufactureras, empresas automotrices, compañías eléctricas, compañías químicas, compañías petroleras y agencias gubernamentales. Algunos lugares que contratan ingenieros de control incluyen empresas como Rockwell Automation, NASA, Ford, Phillips 66, Eastman y Goodrich. [12] Los ingenieros de control posiblemente pueden ganar $ 66k anuales de Lockheed Martin Corp. También pueden ganar hasta $ 96k anuales de General Motors Corporation. [13] Los ingenieros de control de procesos, que generalmente se encuentran en refinerías y plantas químicas especializadas, pueden ganar más de $ 90k al año.
Originalmente, la ingeniería de control se centraba en los sistemas continuos. El desarrollo de herramientas de control por computadora planteó la necesidad de contar con ingeniería de sistemas de control discretos, ya que 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 es el más común 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 hasta el diseño automatizado por computadora o CAD, que se ha hecho posible gracias a la computación evolutiva . El CAD se puede aplicar no solo para ajustar un esquema de control predefinido, sino también para optimizar la estructura del controlador, la identificación del sistema y la invención de nuevos sistemas de control, basándose puramente en un requisito de rendimiento, independientemente de cualquier esquema de control específico. [14] [15]
Los sistemas de control resilientes extienden el enfoque tradicional de abordar solo 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, acciones humanas indeseables, etc. [16]
