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. 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.

Actuadores neumáticos.

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.

Fuentes de alimentación, electrónicas.

Harold S. Black

Historia de los sistemas hidráulicos.

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.

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 hidráulicos 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 los Estados Unidos, 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 al mismo tiempo.

Ejemplo de un control del nivel de agua,

תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: https://lh4.googleusercontent.com/-Z1q2bTA-qo8/VOtVZHaaMnI/AAAAAAAAArg/KQhwXdE7UmA/w508-h338-no/control+de+nivel+de+agua+1.png

 

 

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 de un fluido cualquiera, 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

Relevadores (relay)

 

Movimiento mecánico

motores eléctricos

 

 

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

תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: https://lh3.googleusercontent.com/-5bg7S0rtlZY/VIHYjmNsufI/AAAAAAAAAD8/9fhUf8rmZTY/w560-h366-no/12148008.30839443.560.jpg

 

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.

תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: https://lh6.googleusercontent.com/-fViI51KswqE/VIHZmewZNZI/AAAAAAAAAEQ/HsokJ_QD9eQ/w935-h707-no/13144741.e5882042.png

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, manteniendo asi la velocidad deseada de la máquina,

fly-ball governor,

תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: http://www.galileog.com/tecnologia/control/centrifugal_governor_12.jpg

 

 

 

Esquema del mismo regulador de Watt, pero con elementos modernos,

 

תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: http://www.galileog.com/tecnologia/control/2.GIF

 

 

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,

תיאור: תיאור: http://www.galileog.com/tecnologia/control/valvula%201.png

תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: https://control1tech.files.wordpress.com/2016/12/james_-watt_-1788_-centrifugal_governor_2.png

 

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.

תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: http://www.galileog.com/tecnologia/control/Ktesbios%201.jpg

 

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,

תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: https://lh4.googleusercontent.com/-lvxEzYjH8fI/VOtXd3TzeYI/AAAAAAAAAsI/h5dEbm5U6Dw/w927-h834-no/puerta+Wicket+1.png

 

Como se ve en la siguiente figura, el distribuidor tiene puertas Wicket, las cuales regulan el flujo de agua [ 6 ], que entra al rodete y el ángulo en que el agua incide sobre las paletas de este último. Las puertas Wicket giran sobre su eje, mediante pistones conectados a un gran anillo exterior que mueve a todos ellas al mismo tiempo, estas puertas pueden utilizarse para cerrar la entrada del agua,

 

תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: https://control1tech.files.wordpress.com/2016/12/turbina-wicket-francis-2.png?w=739

 

 

 

Regulador de velocidad de la turbina.

La energía entregada a la turbina, por el pasaje de agua en la turbina hidráulica y por el otro lado la demanda eléctrica que incluyen las pérdidas hace obligatorio regular la velocidad, de manera que sea constante. 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, o que produzcan una 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.

 

תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: https://control1tech.files.wordpress.com/2016/12/control-realimentado-de-velocidad-2.png?w=1462

 

En este sistema, representado en forma muy esquemática, las variaciones de la velocidad angular de la turbina se mide 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 a. 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,

תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: https://control1tech.files.wordpress.com/2016/12/servomotor-hidrc3a1ulico-1.png?w=739

 

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, como se muestra en el dibujo anterior y no hay una dirección preferencial de fluido a la salida hacia el cilindro actuador, la superficie interna del pistón, que está dentro de dicho actuador que 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, 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, ya que el conducto está cruzado con presión tendiente a igualarse con la de la entrada  Pa , mientras que el fluido de la cámara derecha se dirigirá al tanque.

De esta manera el pistón  y se desplazara y con el la masa, hacia la derecha, este desplazamiento se realizará con la 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 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.

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

 

תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: https://control1tech.files.wordpress.com/2016/12/servomotor-hidrc3a1ulico-2.png?w=680

 

Controles automáticos.

Antes de aplicar a un sistema con realimentación criterios de estabilidad, varios tipos de información de primaria importancia se deben obtener, 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 que ayuda a la visualización de las relaciones de los componentes del mismo.

El diagramas esquemático del sistema de control, proveen una imagen física de las operaciones y funciones de los componentes del sistema,

Control on-off.

El siguiente es un control, denominado control on-off, muy utilizado en la industria y es la base de muchos sistemas, se usa ampliamente en el control de la temperatura o nivel de agua, el siguiente es un dibujo esquemático del mismo,

control on-off,

תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: https://lh6.googleusercontent.com/-Po4BqL_2k3E/VOtYSPp2vLI/AAAAAAAAAsw/GF8MS13uz6Q/w954-h618-no/control+on-off+1.png

 

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,

Válvula,

 

תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: https://control1tech.files.wordpress.com/2016/12/valvula-2.png?w=739

 La válvula tiene una variante del cierre popped (ver más adelante), solidaria a un eje, que la comunica al núcleo, fabricado con un material ferromagnético, el cual es atraído por la bobina, solenoide, al recibir esta energía eléctrica, el núcleo sube bajo la atracción magnética y comprime un resorte, en estas condiciones el cierre abre la comunicación entre la entrada de agua y la salida, al no recibir energía eléctrica el núcleo ya no es atraído y el resorte la lleva para abajo, cerrando a la válvula.

Cuando el nivel de agua del tanque, que es la variable a controlar, aumenta a un determinado valor, el interruptor eléctrico corta el suministro de energía eléctrica de la bobina, cerrándose totalmente, el nivel de agua comienza a descender, llegando a un nivel que cierra nuevamente al interruptor eléctrico, recibiendo la bobina nuevamente energía eléctrica y se produce un aumento del nivel del agua. En el siguiente grafico se aprecia el funcionamiento de este sistema, cuando la válvula está abierta aumenta el nivel de agua y llega un momento que el mismo alcanza el nivel alto, cerrándose la válvula, luego el nivel desciende y se alcanza el nivel bajo, repitiéndose nuevamente el ciclo.

Ciclo, 8

תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: https://lh5.googleusercontent.com/-SRRc7GJ3tuA/VOtY3IZoC9I/AAAAAAAAAtY/9c-A6OnW5qY/w948-h836-no/variacion+del+nivel+1.png

 

 

 

Los primeros controles automáticos fueron sin excepción de tres tipos: relevadores ( relay ) eléctricos con un solenoide que opera una válvula dando una acción on-off, relevador eléctrico con un motor que opera una válvula dando una acción flotante y un relevador neumático con una válvula diafragma el cual da inicialmente una acción on-off pero pudiéndose modificar para dar una acción proporcional de banda estrecha, de valores típicos del 1% al 5%.

Valvula o cierre poppet.

El relay neumático era una etapa simple que usaba una valvula poppet, operada directamente en el sistema de medición o formada por dos etapas de relay con un amplificador flapper-nozzle precediendo a la válvula poppet.

תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: https://control1tech.files.wordpress.com/2016/12/valvula-popped-1.png

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

El siguiente dibujo nos muestra un control típico de los años 20 del siglo pasado y construido por la empresa C. J Tagliabue Mfg. Co, en el ejemplo siguiente, se usa  la ebullición del agua, que es el proceso físico en el que la materia pasa a estado gaseoso, para el proceso de la fécula de patata y almidón de maíz, control típico de los años 20,

תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: https://lh6.googleusercontent.com/-QQXMeKKdELI/VQBvyzmV0dI/AAAAAAAAA5k/WDkn2doYAjY/w808-h864-no/Tagliabue+1.png

Utilizando los elementos parecidos a los presentados en la anterior foto, dicha empresa presentaba los dibujos del funcionamiento de un sistema parecido que mantenía la temperatura constante a 65.5ºC de un tanque con agua, como se muestra a continuación, se utiliza el vapor de agua como elemento calentador, cuyo flujo al tanque se realiza abriendo y cerrando una válvula poppet cuyo eje se mueve por medio de un motor-diafragma o tambien denominada válvula actuadora o actuador neumático, en el sistema hay una válvula de aire, que entrega o regula la presión del diafragma, que está sometido del lado contrario a una fuerza de un resorte, la válvula de aire tiene internamente una esfera que regula la circulación del aire, en el siguiente dibujo se representa tres posiciones de la esfera, en la posición 1  la esfera está en el medio de la caja, debido a la posición del eje de la esfera y el aire proveniente del compresor a 15 psi tiene una entrada b, el aire se distribuye tanto para la salida a como para la salida c,  en la posición 2 la esfera tapa completamente a la salida a y todo el aire es conducido a la salida c, en la posición 3, se tapa completamente la entrada b y el aire de la salida c sale hacia la salida a,

תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: https://control1tech.files.wordpress.com/2016/12/funcionamiento-de-la-valvula-de-aire-1.png?w=680

 

 

En el siguiente dibujo

 

תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: https://control1tech.files.wordpress.com/2016/12/sistema-regulador-tres-posiciones-1.png?w=739

Actuadores neumáticos.

El mismo principio se da para la comunicacion de un liquido y el control del mismo, por sí mismas, las válvulas no pueden controlar un proceso. Las válvulas manuales requieren que un operador las regule para controlar una variable de proceso. Las válvulas que deben ser operadas remotamente y automáticamente requieren de un dispositivo especial para moverlas. Estos dispositivos se denominan actuadores. Los actuadores pueden ser solenoides o motores neumáticos, hidráulicos o eléctricos.

Un diagrama simplificado de un actuador neumático se muestra en la siguiente figura. Funciona por una combinación de fuerza creada por el aire y la fuerza del resorte.

 

תיאור: http://www.galileog.com/tecnologia/control/c1.GIF

 

Índice.

 

 

Teoría y diseño de servomecanismos.

En 1934, Harold S. Black presenta un trabajo describiendo la amplificación con realimentación negativa y la teoría de los servomecanismos. El punto central de este trabajo fue el reconocimiento de Harold Hazen, que la realimentación negativa, da al sistema servo  un comportamiento que depende de la diferencia entre la entrada y la salida y que los efectos de la no linealidad y variaciones en los parámetros del sistema se reducen con el uso de la realimentación negativa, también se produce una reducción del ruido y la distorsión.

Una mañana del 2 de agosto de 1927, se le ocurrio a Black el concepto de realimentación negativa en un amplificador, mientras cruzaba el rio Hudson en 1927, Black uso una página del diario The New York Times para dibujar un esquema circuital para igualar la impedancia de un amplificador con la línea,

תיאור: https://control1tech.files.wordpress.com/2016/12/c2.gif

 

después de trabajar varios años en el problema de distorsión, pensó que si realimenta en fase inversa puede mantener al sistema sin oscilaciones, anulando la distorsión, dibujo en el diario como se ve en la figura y dibujo el diagrama del amplificador realimentado, más las ecuaciones del mismo, un sistema lineal de 40 a 50 dB de realimentación negativa, pero se le presento el problema de cómo evitar la oscilación en una gama de frecuencias y que sea estable. Habiendo trabajado en sistemas de oscilación, circuitos que incluían filtros y conocía sus ecuaciones, o sea conocía los modelos de cada unidad, pudo crear un sistema de telefonía. [ 2 ].

 

Durante su trabajo con amplificadores push-pull, Black vio que el mismo era una fuente de problemas, no se conocía la forma de hacer un amplificador lineal, lo cual producía distorsión y también no era lo suficientemente estable. El problema estriba en las frecuencias generadas por las válvulas de vacío y en particular los armónicos de segundo orden.

Teóricamente, este tipo de amplificador debería suprimir todos los harmónicos de segundo orden, pero en realidad lo hacía en un 10 a 18 %, el comenzó a pensar en un sistema de amplificadores repetidores, que transmitieran en un sistema de amplificadores en tándem, cada uno llevando un canal y formando un sistema de multicanal. El sistema denominado C no podía llegar a más de 1000 millas y los grandes repetidores podían transmitir cuatro canales. Estos sistemas eran inadecuados para un país de 4000 millas de largo.

Con la invención de las válvulas de vacío por Harold de Forest, se podía construir un sistema de transmisión de voz costa a costa pero se necesitaba un sistema con muchos canales, Black represento una curva mostrando como la linealidad del sistema varia con el número de canales y otra grafica mostrando como se afectaba la adición de amplificadores push-pull, se producía un gran error, el asumía que la tercera armónica y otros productos se comportarían como los de segunda armónica, en la cadena de amplificación se producirá un una distorsión acumulada que aumentaba con la raíz cuadrada del número de amplificadores. El primer sistema telefónico fue construido en 1914, se usó alambre de cobre #8 y su peso era de 1000 pounds por milla, las perdidas debidas a la resistencia eléctrica del cable era de aproximadamente 60 dB. Varios amplificadores se usaron para reforzar la señal, estos tenían un ancho de banda limitado y una distorsión debido a la no linealidad de los mismos, el efecto de usarlos en cascada, en serie, resultaba en una distorsión intolerable.

 

תיאור: https://control1tech.files.wordpress.com/2016/12/amplificadores-en-cascada-11.png?w=680

 

Un sistema con realimentación negativa, donde la planta, que es el sistema físico a controlar y en este diagrama puede representar, por ejemplo, la etapa de potencia en el amplificador de audio, un sistema diseñado puede mantener la salida a un nivel en el modelo de la planta. En el sistema realimentado se fuerza  a la salida a seguir a la entrada con alguna ganancia y respuesta en frecuencia.

 

תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: https://lh6.googleusercontent.com/-X5ejKEKQU-4/VQBwvw-UdtI/AAAAAAAAA6M/Nqfqx5lzabM/w921-h799-no/elementos+de+un+sistema+realimentado+1.png

 

U.S. Patent 2,102,671 Harold S. Black, [ 2 ]

Cualquier ingeniero que diseñe un amplificador o un filtro activo, utilizando, por ejemplo, un amplificador operacional, usa el concepto de realimentación negativa, llamada en 1932, degenerativa. Harold Black, pensó este sistema en forma profunda y lo traslado a la patente del año 1937, con 35 dibujos y 52 paginas, en ella se discute los efectos complejos de la realimentación en la impedancia, ganancia, estabilidad y filtrado, llamada en esa época "wave shaping". Con dicho trabajo la distorsión se puede reducir en un sistema amplificador, que utiliza la realimentación negativa y la estabilidad de operación del mismo mejorada.

Este trabajo describe un sistema amplificador con realimentación negativa, el mismo posee una entrada y una salida y un camino que transmite parte de la salida a la entrada, como se ve en el anterior dibujo, el mismo concepto se puede aplicar a sistemas eléctricos, mecánicos y acústicos. Esta descripción realizada por Black, se aplica al uso de las válvulas amplificadoras, pero se puede usar transistores, en sus distintas versiones. La señal de entrada puede provenir de un generador, la señal aplicada a la reja, (base o gate) proviene de dos subsistemas, el generador y el circuito de realimentación, usando algún medio para sumarlas, de esta forma se tiene la señal del generador, la señal de la realimentación y la señal efectiva en la reja.

En el siguiente dibujo, se combina el diagrama superior debido a Black [ 3 ] y un circuito de válvulas realizado por Bode, para explicar el uso del amplificador realimentado, en el circuito se resaltaron las tres señales: el generador v, el circuito de realimentación vr y el sistema que realiza la suma vg.

diagrama superior debido a Black, 12

תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: https://lh5.googleusercontent.com/-7BBgXQ-8B5Q/VQBxNChqL_I/AAAAAAAAA60/DJ_glcrXHwQ/w690-h888-no/amplificador+realimentado+1.png

 

Ejemplo de un análisis realizado en la década de 1940. [ 1 ]

Las redes de compensación de adelanto eléctricas se usan extensamente para mejorar la respuesta de los servo mecanismos, la justificación teórica del uso de estas redes para mejorar la respuesta. En general, la notación utilizada en este resumen y en las secciones siguientes es la utilizada en el análisis de los mecanismos de servo convencional.

 

Controles electrónicos.

Friedrich W. Meyer, 1917.

En 1917, [ 12 ] inventa un sistema electrónico que utiliza al tríodo como elemento regulador, este invento es asignado a la empresa Cutler Hammer Mfg Co, el siguiente dibujo explica el funcionamiento del sistema, el circuito superior es el original de Meyer y el inferior es una versión moderna del mismo.

El mismo consta de un motor eléctrico de corriente continua, que posee una velocidad del eje w, la cual se debe regular, el eje del motor se conecta mecánicamente a un generador, que es otro motor que funciona como generador de corriente continua, hoy llamado taco generador. El campo del generador en la versión moderna utilizada en la industria, es un imán, pero en este caso se puede regular la corriente del campo del generador por medio de la resistencia R13, que regula la corriente ig proveniente del generador de tensión V12.

Como elemento regulador de la corriente del motor ia, se utiliza una válvula tríodo, modernamente se puede utilizar un transistor, la corriente ia depende de la tensión de reja g7 respecto al cátodo k6, cuanto más positiva, es esta tensión, más corriente de ánodo circula, el valor de la tensión de reja respecto al cátodo está formada aproximada, por la diferencia de la tensión del generador de tensión V10 y la tensión del generador, los dos elementos están en serie, la polaridad de la tensión del generador depende del sentido de giro del motor y todo está armado de manera tal que es negativa, por lo que cuanto más rápido gire el motor, la tensión del generador es más grande con signo negativo y por lo tanto la tensión de reja respecto del cátodo, todos los generadores de tensión son corriente continua.

Inicialmente al conectar el sistema, el motor está detenido y la tensión de reja es positiva con lo que la corriente de ánodo aumenta, comenzando a girar el motor y haciendo que la tensión de reja disminuya, por el aumento de la tensión del generador, hasta que se llega a una velocidad que depende de un equilibrio, que depende de w y su relación con la tensión de reja, si el motor tiene una gran masa conectada al eje del motor, habrá un cierto estado estable de dicha velocidad, pero si dicha masa se hace más chica, la velocidad se hace más inestable, produciéndose como pulsos en dicha velocidad w, con una velocidad promedio.

Meyer, 12

תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: https://lh6.googleusercontent.com/-WXQdif_bZzA/VQBxtCqHSNI/AAAAAAAAA7Y/LkC2Xqm43XQ/w846-h825-no/Meyer+1.png

El técnico que ajustaba el sistema, podía cambiar los parámetros R13 y R19, que determinan las características de velocidad del sistema, una aplicación típica de aquella se presenta en la siguiente foto perteneciente a la empresa Cutler Hammer Mfg Co, [ 14 ], en la misma no aparece el generador,

Cutler Hammer, 13

תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: https://lh6.googleusercontent.com/-7EVGxeq0wh4/VQByOUhS0SI/AAAAAAAAA78/XOn_E_cCCKg/w941-h843-no/Meyer+2.png

 

En 1920, Meyer presento una patente de un regulador que usaba una válvula con mercurio [ 13 ], como elementos regulador, con lo que se producía un mejor rendimiento del elemento regulador.

Fuentes de alimentación.

En el año 1939 Hunt y Hickman, presentaron un trabajo [ 15 ] sobre los sistemas utilizados en las fuentes de alimentación para estabilizar la tensión de salida, de todos ellos el más utilizado actualmente en su versión de transistores es el representado en el siguiente dibujo.

Siguiendo la misma línea que Friedrich W. Meyer, el control de la corriente de ánodo por la tensión reja cátodo, con su sistema presentado en 1917, en este sistema se regula la tensión de salida Eo, realizando una diferencia entre la tensión Vk, constante tomada como referencia , generada por un tubo de descarga de un gas (en el sistema de Meyer no existe una tensión de referencia) y la tensión de salida Eo, tomada a través de un divisor de tensión R1 y R3, Vd.

La tensión de salida Eo depende de la tensión V2, tomada en el ánodo de T2, si Vd aumenta por una disminución de la corriente de carga Il, esto produce un aumento de I2, haciendo que V2 se haga más chica y que Eo disminuya y a la inversa si Il aumenta, disminuye Vd, haciendo que T2 conduzca menos, aumentando V2 y por lo tanto Eo. Al amplificador T2 se le aplica el término amplificador degenerativo de continua, que compara la tensión de salida del sistema con una tensión de referencia.

 

 

 

El término regulación se refiere al cambio porcentual de la variable de salida de un sistema, que puede ser que varía la corriente de salida en una fuente de alimentación o la carga mecánica en un control de velocidad y estabilización se refiere a los medios para disminuir esos efectos  de cambio.

 

 

Un rectificador en el sentido más amplio es un dispositivo que presenta una conductividad unilateral del material del que están hechos en su estructura. El rectificador de arco de mercurio fue inventado por Peter Cooper Hewitt en 1902 y desarrollado a lo largo de los años 1920 y 1930 por investigadores en Europa y América del Norte.

La acción rectificador depende de la propiedad del cátodo, que consiste en una recipiente de mercurio y uno o más ánodos, hechos de carbono o de otro material adecuado, se colocan en una cámara de alto vacío y se aplica una tensión alterna entre ellos, la corriente sólo puede fluir durante las partes del ciclo, cuando el cátodo está a un potencial negativo con respecto al ánodo o ánodos. Una descarga de este tipo se conoce  como arco y puede ser  controlada por uno o más rejillas colocadas en la trayectoria del arco a la que se aplican diferentes tensiones. El mercurio es una fuente conveniente de vapor ionizable y se puede recuperar por  condensación en las paredes del recipiente que lo contiene que lo enfría ya sea por aire forzado o agua.

 

 

Equipo eléctrico con generadores controlados.

Por los años 1930, el método de regulación de la tensión, utilizando una señal de control derivada de un sistema de control que cambiaba la resistencia del circuito del campo campo, era un motor que movía un reóstato, la señal mueve al reóstato directamente

En el año 1942, apareció un artículo denominado Control Generators [ 17 ], que refleja el estado de la técnica del control de grandes maquinas, por medios eléctricos

תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: https://lh6.googleusercontent.com/-1Ub3HFd5OOQ/VJcBRlTfXPI/AAAAAAAAAeg/2of3BTYl71Y/w854-h768-no/Rototrol+1.png

 

Control de un motor por el sistema Ward Leonard.

El control Ward Leonard, fue inventado en año 1891,  en 1942, el Laboratorio de Radiación del MIT selecciona el sistema Ward-Leonard para equipar el radar  SCR-584.

 La función principal de este sistema es dar un control de velocidad suave, dar una inversión casi instantánea de la velocidad, desde el máximo de velocidad en una dirección al máximo de velocidad en dirección opuesta y reducir la energía requerida cuando el motor comienza a trabajar, cambia de dirección de velocidad y para. Cuando un motor de corriente continua comienza a trabajar, consume mucha energía que se disipa en la resistencia de arranque, que está en serie con la armadura del motor y esta previene del excesivo consumo de corriente del motor que puede perjudicar al mismo, esta resistencia serie va reduciendo su valor hasta alcanzar el máximo de velocidad con el máximo de tensión de alimentación.  Cuando el motor comienza a girar, se genera una fuerza electromotriz, FEM denominada fuerza contra electromotriz, esta se incrementa con la velocidad y tiende a oponerse a la tensión de alimentación, la diferencia entre estos dos valores de tensión es lo que determina la corriente de armadura. Si la tensión de alimentación se aplica en forma proporcional al requerido para activar al motor, la energía de arranque se limita y esto es lo que hace el sistema Ward Leonard.

 

Un generador eléctrico o un motor eléctrico consta de un rotor en un campo magnético. El campo magnético puede ser producido por imanes permanentes o por bobinas de campo. En el caso de una máquina con bobinas de campo, una corriente debe fluir por las bobinas para generar el campo, de lo contrario ninguna energía se transfiere a o desde el rotor. El proceso de generación de un campo magnético por medio de una corriente eléctrica se llama excitación.

Este sistema consta de un motor de corriente continua, cuya armadura es alimentada por un generador de corriente continua, variando la excitación del generador, la tensión generada puede variar dentro de límites amplios de acuerdo a la velocidad del motor a obtener. Para cambiar la dirección de movimiento del eje del motor, se puede obtener invirtiendo el circuito de armadura o invirtiendo la excitación del generador.

תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: https://lh6.googleusercontent.com/-x3rLqAmc1fU/VJcBy-ySfwI/AAAAAAAAAfE/2Yzl2GUbaRg/w854-h566-no/Ward+Leonard+1.png

 

Apendice.

 

Posicionador con fuerzas en equilibrio.  [ 16 ]

 

Una forma de posicionador que emplea sistemas de aire, es el llamado de fuerzas en equilibrio, que se muestra en el siguiente dibujo, la señal de control, que es aire a una cierta presión, se aplica a la membrana señal, la cual crea una fuerza que se opone al resorte de realimentación. La membrana señal esta físicamente conectada a la válvula puerta, cuando dicha válvula está centrada, esta bloquea el flujo de aire, entre las puertas de las cámaras. Si la presión de la señal de entrada aumenta, empuja a la membrana señal contra el resorte de realimentación y esto causa que la válvula puerta se mueva para abajo, en esta posición se crea un paso entre el suministro de aire y la válvula actuadora, el suministro de aire actúa contra la membrana de la válvula actuadora y esto mueve la leva en sentido contrario de las agujas del reloj, se produce un aumento la fuerza contra el resorte de realimentación, por el efecto de la forma de la leva, moviendo a la membrana señal para arriba, llevando a la válvula puerta al centro y cortando el flujo de aire, luego el posicionador de levas se para.

Si la presión de la señal de control decrece la fuerza ejercida por el resorte de realimentación aumenta, esto causa que la válvula puerta se mueva para arriba, creando un paso entre la válvula actuadora y la salida de aire, esto produce un movimiento contrario al anterior en el posicionador de levas, por efecto del resorte de la válvula actuadora llevando nuevamente a la válvula puerta al centro.  

 

 



 

 

 

 

 

 

Índice.

Referencias.

[ 1 ] Electromechanical Lead Networks for A.C. Servo Mechanisms, Donald McDonald

[ 2 ] Wave Translation System, Harold S. Black, 2102671

[ 3 ] Stablized Feedback Amplifiers, H. S. Black, The Bell System Technical Journal

[ 4 ] Claytor Dam Web Page

[ 5 ] Francis turbine wicket gate animation.

[ 6 ] Calculo del Flujo de Agua.

[ 7 ] The Fabrication and Assembly of an 8.5MW Francis Turbine at Ebco Industries

[ 8 ] Pilot valve hydraulic amplifier cut-away

[ 9 ] Electrohydraulic servomechanisms.  Morse, Allen C.

[ 10 ] Hydraulic servomechanism with feedback-energy-dissipating control valve. Herman R Lorence. 1956

[ 11 ] The Development of the Mercury Lamp, Mordecai B. Rubin

[ 12 ] Controlling and regulating apparatus, Friedrich W Meyer, 1917

[ 13 ] Regulator, Friedrich W Meyer, 1920

[ 14 ] Journal of electricity, power, and gas, By P.C. Association

[ 15 ] On Electronic Voltage Stabilizers, Hunt, Hickman, 1939

[ 16 ] Industrial Control Electronics  , Terry Bartelt

[ 17 ] Control Generators, Jere Brophy.

[ 18 ] Theory of Servomechanisms, Humbert M. James, 1947

[ 19 ] Principles of mercury arc rectifiers and their Circuits. David Chandler Prince and Francis Brooke Vogdes.

[ 20 ] Alternating Current

 

Eduardo Ghershman, 9.5.2014

 



 

תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: תיאור: eXTReMe Tracker