Historia del control automático.

En este documento, el lector podrá buscar en el índice, aplicaciones o sistemas de automatización ya sea mecánicos, hidráulicos, eléctricos y electrónicos, desarrollados a lo largo del tiempo, por separado. El documento no se concentra en los sistemas muy antiguos, sino que estudia los más contemporáneos y analiza los elementos utilizados en los controles, como la válvula Poppet, en los sistemas hidráulicos, el amplidyne, en los eléctricos y la válvula tríodo o el transistor, en los electrónicos, entre otros. Cada área específica de uso  en diferentes tecnologías requiere un estudio más profundo de los temas tales como la ingeniería hidráulica o la ingeniería de los semiconductores, este documento es una guía que puede abrir una puerta a alguna área específica.

 

Indice.

 

Actuadores o elementos reguladores.

Apendice.

 

Controles automáticos.

Controles electrónicos.

Control para mantener la temperatura constante utilizando una combinación de sistemas de vapor y aire a presión.

Control de un motor por el sistema Ward Leonard.

Control neumático.

Conversión de potencia. Rectificadores controlados.

Control de velocidad de un motor eléctrico, con un tríodo, 1917.

 

Equipo eléctrico con generadores controlados.

 

Fuentes de alimentación, electrónicas.

 

Harold S. Black

Historia de los sistemas hidráulicos.

Integrador.

Rectificadores de arco de mercurio.

Regulación y estabilización, definición.

Regulador centrifugo de James Watt.

Regulador de velocidad de la turbina.

 

Servomecanismos. Concepto de servomecanismo.

Servomecanismo hidráulico con entrada de control mecánica y realimentación mecánica.

Servomotor Hidráulico.

Sistemas físicos.

 

Técnicas de análisis y diseño.

Teoría y diseño de servomecanismos.

Tiristor.

Turbina Francis.

 

Válvula Poppet.

 

Introduccion.

En el control automático, en particular la aplicación de la realimentación, ha sido fundamental para el desarrollo de la automatización. Sus orígenes se encuentran en el control del nivel de agua en tanques, relojes de agua, y en los sistemas neumáticos e hidráulica del mundo antiguo. A partir del siglo 17, se diseñaron sistemas de control de temperatura, de control mecánico de molinos y la regulación de las máquinas de vapor, es importante comprender como funcionan estos sistemas, cuyos principios se transmitirán a lo largo de los siglos y que algunas características de los mismos tienen hoy vigencia.

Durante el siglo 19 se hizo cada vez más claro que los sistemas realimentados eran propensos a la inestabilidad. Un criterio de estabilidad se deriva de forma independiente hacia el finales del siglo por Routh en Inglaterra y Hurwitz en Suiza. El siglo 19, también vio el desarrollo de los servomecanismos, primero para la dirección de buque y más tarde para la estabilización y los pilotos automáticos. La invención de los aviones añadio ,literalmente, un nuevo dimensión al problema.

Minorsky realizó un análisis teórico de control de buques en la década de 1920 aclaró la naturaleza de los tres formas de control, que también seran utilizados para aplicaciones de proceso de la década de 1930.

En base a las aplicaciones de la ingeniería de los servo-controles y las comunicaciones de la década de 1930, e impulsado por la necesidad de sistemas de alto rendimiento del control de las armas, una rama coherente de la teoría conocida como control clásico surgieron durante y después de la Segunda Guerra Mundial sólo en el EE.UU., Reino Unido y en otros lugares, al igual que las ideas de cibernética. Mientras tanto, un enfoque alternativo del  modelo dinámico había sido desarrollado en la URSS con los enfoques de Poincaré y Lyapunov.

 

Primeros controles automáticos.

El control realimentado, se originó con los reguladores fabricados por los griegos y los árabes, implementados en dispositivos tales como relojes de agua, controlando el caudal, lámparas de aceite, surtidores de vino y tanques de agua, donde se controlaba el nivel de líquido. El mecanismo de control de nivel de un líquido, está formado por un flotador, de manera que si el nivel de agua baja, aumenta el caudal y cuando el nivel sube disminuye el caudal, el cierre del flotador es una válvula, que es un elemento regulador, formado por una forma de cierre Poppet, en este caso el flotador es un sensor y actuador,

Ejemplo de un control del nivel de agua, 1



Actuadores o elementos reguladores.

Todos los sistemas de control tienen un elemento o actuador que regula la energía, ya sea química, como un gas de combustión o eléctrica, la cantidad de agua o un fluido, el paso  de vapor o el movimiento o posición mecánico, a continuación se enumeran una serie de elementos reguladores,

 

Energía química

Válvula que cierra la salida de los gases de la combustión y limita el fuego en el quemador

Válvula de control de flujo de combustible

 

Fluido

Válvula de vapor

Válvula de salida que permite el desalojo de líquido, control del flujo de agua, volumen de líquido por unidad de tiempo

Válvula poppet

Válvula de aire

 

Eléctrico

Válvulas termoiónicas de vacío

transistores

 

Movimiento mecánico

motores eléctricos

Cornelius Drebbel, un holandés del siglo 16, investigo una incubadora como el mostrado en el siguiente dibujo,

El sistema funciona de la siguiente manera, el compartimiento donde están los huevos, está rodeado por otro por donde hay una circulación de fuego y gases de la combustión, debajo del mismo hay un tubo que contiene alcohol y que al calentarse produce la dilatación del mismo, este a su vez empuja al mercurio, contenido en un vaso que tiene a modo de pistón una placa metálica, que flota en el mercurio, al aumentar la presión ejercida por el alcohol, cuando aumenta la temperatura, el flotador sube. El flotador tiene una barra que transmite el movimiento a un mecanismo que transforma su movimiento vertical ascendente en otro movimiento vertical descendente que mueve una válvula que cierra la salida de los gases de la combustión y limita el fuego en el quemador, esto hace que la temperatura no aumente y todo el sistema la mantiene en un determinado valor.

Regulador centrifugo de James Watt.

Un cinturón o correa transmite el movimiento circular, de la maquina a una polea, la misma hace girar a una columna central, esta produce un movimiento centrifugo a dos bolas solidarias a la columna. Tanto la bola derecha como la izquierda se van separando de la columna y tiran para abajo a una pieza móvil que mueve a una barra móvil, el movimiento indicado como f de la barra móvil, produce del otro extremo un movimiento l, que cierra la válvula de vapor y limita la velocidad de la máquina.


La siguiente figura es otra versión del “fly-ball governor”, la velocidad de los fly-ball, es proporcional a la velocidad de salida de la máquina, en la condición de estabilidad, la fuerza centrífuga del fly-ball, balancea la fuerza del resorte y la apertura de la válvula de control de flujo de combustible, mantiene la velocidad deseada de la máquina,

fly-ball governor, 2


Detalle de la transmisión de la información de la velocidad de la maquina al sistema fly-ball, por medio de un engranaje,

Esquema del mismo regulador de Watt, pero con elementos modernos y con una nomenclatura utilizado en el estudio de los sistemas de control, observe el lector la transmisión de movimiento del engranaje b al engranaje c.

A continuación algunos parámetros utilizados en la teoría de control,

J :carga inercial que permite almacenar energía cinética

b : coeficiente de fricción viscosa

T : par desarrollado por el motor

W(t) : velocidad angular 

El eje a es solidario al sistema fly-ball, moviendo una válvula de aceite, cuando el eje a se va para arriba por efecto de un aumento de la velocidad de rotación de las esferas metálicas del sistema fly-ball, se abre un camino para el aceite a presión, cerrándose el de abajo, como se muestra en la siguiente figura, que es una válvula hidráulica, al salir este aceite a presión de la válvula se produce el cierre de la válvula de control del combustible,

Historia de los sistemas hidráulicos.

La tecnología del control de fluidos, se puede encontrar en la historia, en el sistema del reloj de agua de Ktesbios en el 250 antes de Cristo en Alejandría, siendo este un sistema de control, también conocido como clepsidra, funcionando con agua como fluido.

El mismo se observa en la siguiente figura, este sistema consta de tres tanques de agua, una condición para que el sistema funcione como reloj es que la válvula de salida que permite el desalojo de líquido este cerrada, una válvula de entrada permite al operador llenar al tanque 1 a un determinado nivel, mientras se va llenando el tanque 1, la válvula f 1 está abierta y se va llenando el tanque de agua 2, la  salida 1 es muy chica en diámetro y esto permite que el tanque de agua 2 se llene rápidamente, el flotador de la válvula, se levanta por el agua y cierra la válvula f 1, el agua que salió por la salida 1 lleno un poco al tanque de agua 3, subiendo al indicador solidario al flotador un poco , por ejemplo a una indicación entre 1 y 2.

Luego de un tiempo se produce el desalojo de un poco de agua del tanque de agua 2, abriéndose nuevamente la válvula f 1, entrando nuevamente agua del tanque 1 superior al tanque de agua 2 y cerrando nuevamente a la válvula  f 1, el flotador con el indicador sube nuevamente hasta 2, por ejemplo y así sucesivamente el indicador va subiendo a medida que transcurre el tiempo.


Válvula que regula el paso de agua combinada con la regulación mecánica.

En el siglo 19 James B. Francis desarrolla una turbina que permitía controlar la velocidad del agua en centrales de generación de energía y con ello la velocidad de giro de las paletas, mediante pistones que pueden formar parte de un regulador realimentado, esto es muy útil en el caso de variaciones de velocidad de la turbina que puede alterar las condiciones eléctricas del generador, este es un caso de un elemento de regulación que combina a un movimiento mecánico de los pistones y las puertas, denominadas Wicket, para regular la velocidad del agua en las paletas de la turbina, en la siguiente serie de dibujos se aprecia el principio de este elemento.

puertas, denominadas Wicket, 4

En el anterior dibujo, a la derecha, se aprecia que al abrirse las puertas Wicket aumenta la velocidad de rotación de la turbina.
A continuación se muestra una versión moderna de la turbina Francis, durante las etapas de su construcción, [ 7 ]


Regulador de velocidad de la turbina.

La energía entregada a la turbina hidráulica, por el pasaje de agua  y por el otro lado la demanda eléctrica que incluyen las pérdidas, hace obligatorio regular la velocidad constantemente de la misma. Todo cambio de carga afecta la energía cinética de la misma, produciendo un cambio de la velocidad del sistema y con ello un cambio en la frecuencia de la red, disminuyendo con el aumento de la carga y viceversa.

Para un buen funcionamiento de las máquinas conectadas a la red, es necesario que funcionen a la frecuencia nominal, con un determinado error. Si no fuera el caso, podría ocurrir que las centrales dejaran de operar, con la menor velocidad de sistemas, tales como bombas, ventiladores y otros elementos eléctricos, disminuyendo la potencia que suministra, lo que provocaría la  desconexión del consumo, para recuperar el nivel de frecuencia.



En este sistema, representado en forma muy esquemática, las variaciones de la velocidad angular de la turbina se miden con un regulador centrífugo de Watt. Dos masas se mueven radialmente alejándose del eje cuando su velocidad de rotación aumenta y así actúan moviendo un eje central. El movimiento de este eje se transmite, mediante un mecanismo, al pistón de una válvula piloto y mediante dicho mecanismo se hace funcionar el servomotor hidráulico, como se muestra en el anterior dibujo, lo que se denomina válvula de control, es lo estudiado en la turbina Francis, en amarillo en la foto izquierda.

Servomotor Hidráulico.

El sistema para mantener la velocidad constante de la turbina utiliza un servo motor hidráulico que se describe a continuación,



El fluido utilizado en el sistema hidráulico, se suministra por P mediante un conducto de alta presión, hay una posición de reposo de la válvula piloto, toda la caja de esta, se mueve con la barra de realimentación como se muestra en el dibujo anterior y no hay una dirección preferencial del fluido a la salida hacia el cilindro actuador, la superficie interna del pistón, que está dentro de dicho actuador  no se mueve  y por ende las pérdidas de éste escapan al tanque a través de los conductos conectadas a los retornos T.

Si realizamos un desplazamiento positivo x1 al eje de entada de la válvula piloto se abrirá una superficie mayor en la puerta derecha y se disminuirá la superficie de entrada de fluido a presión en la puerta izquierda. Como consecuencia el fluido entra en la cámara izquierda del cilindro actuador, mientras que el fluido de la cámara derecha se dirigirá al tanque.

De esta manera el pistón  se desplazara con la masa, hacia la derecha, este desplazamiento se realizará con una velocidad definida  por el caudal de fluido circulante. Si no existiese la barra de realimentación, el pistón recorrería toda la carrera llegando hasta el cabezal derecho del cilindro, pero al poseer la barra de realimentación, ésta correrá la caja de la válvula piloto, hacia la derecha, (como la caja se mueve hacia la derecha, va cerrando la puerta derecha)   hasta que la misma alcance el recorrido ejecutado por el distribuidor. De esta forma el servomecanismo hidráulico permite que la salida  y siga la entrada  x. Se pueden deducir las ecuaciones diferenciales y con ello la dinámica del sistema, el objetivo es calcular la transferencia entre la salida y  y la entrada x,para un entrada x2 ocurre el efecto contrario 

Los siguientes pasos ilustran un corte del servo amplificador hidráulico [ 8 ], se resaltaron al cilindro actuador, la válvula piloto y la realimentación,

Controles automáticos.

Antes de aplicar a un sistema con realimentación criterios de estabilidad, varios tipos de información de primaria importancia se deben obtener y es la derivación y evaluación de las ecuaciones diferenciales o funciones de transferencia, que describen las operaciones de cada componente o combinación de componentes requeridos para realizar la función del sistema analizado. Obtener el diagrama en bloques  ayuda a la visualización de las relaciones de los componentes del mismo.

Los diagramas esquemáticos del sistema de control, proveen una imagen física de las operaciones y funciones de los componentes del sistema.

El siguiente ejemplo, es un control de velocidad con realimentación de un motor eléctrico, el mismo esta acoplado a la carga mecánica, formada por una rueda metálica, que posee una cierta inercia la cual sufre una fricción, este ejemplo es genérico.

En la parte superior de la siguiente ilustración, se muestran algunos componentes del sistema, como el potenciómetro, el amplificador, el motor y el generador eléctrico. Del potenciómetro se puede generar una tensión llamada referencia r, que representaría la velocidad deseada. El amplificador, al recibir esta referencia la compara en forma eléctrica, con la tensión generada por el generador, si en la comparación resulta que la diferencia es grande, la salida del amplificador entrega más tensión al motor.

El motor eléctico, trabaja con tensión eléctrica continua y que al recibir una tensión pequeña produce una salida de baja velocidad y si la tensión de entrada al motor es grande la velocidad es grande. Si en este sistema y durante su funcionamiento, se trata de frenar por algún medio mecánico, por ejemplo, aumentando la fricción en la carga mecánica, se observará que la tensión que alimenta al mismo aumenta, tratando el sistema realimentado de mantener la velocidad deseada dada por la referencia r.

Cada componente del sistema es representado en el diagrama (b) por un rectángulo, por ejemplo el sistema del potenciómetro, viene expresado por la letra k1, la velocidad deseada puede ser una escala en el eje del potenciómetro, la cual resulta en este sistema en una tensión eléctrica r, por ejemplo una posición del eje del potenciómetro, digamos 40 grados en la escala indicaría  50 [rpm], en forma arbitraria 40 grados multiplicada por el valor de k1 resulta en una tensión r1, lo cual resulta en una velocidad del eje del motor w1 de  50[rpm] y para 60 grados resulta r2, siendo r2>r1 la velocidad del motor es mayor. La carga del eje del motor presenta una inercia y una fricción, si la fricción es pequeña y la inercia grande puede resultar que la velocidad del sistema aumente hasta un cierto valor wd y se pase de ese valor por lo requerido por r, el sistema amplificador detecta esta diferencia y como la velocidad es mayor reduce e, la velocidad  baja debajo de lo establecido por r y nuevamente el sistema trata de corregir esto, el sistema oscila alrededor de la velocidad deseada wd y se dice que el sistema es inestable. En el dibujo (c) se ve la respuesta de un sistema estable, al inicio la velocidad va aumentando acercándose a la velocidad deseada wd, luego por la inercia del sistema rotatorio, la velocidad se hace más grande que wd, deespues de una oscilación se establece la velocidad wd.

 

A veces ocurre que la fricción es muy grande y el motor no llega a la velocidad deseada, en estas condiciones en general la salida del amplificador llega a un máximo y en esta condición el motor no puede llegar a la velocidad deseada.

Diagramas de bloques.

Un sistema puede estar formado por varias componentes, como el indicado anteriormente. Con el objeto de mostrar las funciones realizadas por cada componente, se usan frecuentemente unos diagramas en el análisis y diseño de los sistemas, llamados diagramas de bloques. Un diagrama de bloques de un sistema es una representación gráfica de las funciones realizadas por cada componente y del flujo de las señales. Tal diagrama describe las relaciones que existen entre las diferentes componentes. A diferencia de una representación matemática puramente abstracta, un diagrama de bloques tiene la ventaja de indicar en forma más realista los flujos de la señales del sistema real. En un diagrama de bloques todas las variables del sistema están concatenadas una con otra a través de bloques funcionales. El bloque funcional o simplemente bloque es un símbolo de la operación matemática sobre la señal de entrada en el bloque que produce la salida. Las funciones de transferencia de las componentes usualmente se introducen en los bloques correspondientes, los cuales están conectados mediante flechas para indicar la dirección del flujo de las señales. Nótese que la señal puede pasar solamente en la dirección de las flechas. Así, un diagrama de bloques de un sistema de control muestra explícitamente una propiedad unilateral. La figura muestra un elemento de un diagrama de bloques. La cabeza de flecha que apunta hacia el bloque indica la entrada y la cabeza de la flecha que sale del bloque representa la salida. A tales flechas se les identifica como señales.


Control on-off.

El siguiente es un control, denominado control on-off, muy utilizado en la industria y es la base de todos los controles a estudiar a continuación, se usa ampliamente en el control de la temperatura o nivel de agua, el siguiente es un dibujo esquemático del mismo, el interruptor electrico es accionado por la boya , que flota en el tanque de agua

El elemento del sistema denominado válvula, tiene dos posiciones, una completamente abierta y la otra completamente cerrada, es decir el agua proveniente del suministro pasa totalmente a través de ella o no pasa nada, el siguiente dibujo nos muestra su funcionamiento,

Referencias.

Eduardo Ghershman, 7.3.2018