Historia de la automática
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El documento resume la historia de la automatización desde sus orígenes hasta la actualidad. Comienza describiendo tres dispositivos tempranos que ilustran los orígenes de la automatización: los antiguos relojes de agua, los termostatos y los molinos de viento/agua. Luego describe algunos hitos clave en el desarrollo de la automatización como el regulador de Watt, la máquina de vapor de James Watt y el trabajo de Maxwell y Routh sobre la estabilidad de sistemas de control. Finalmente, discute brevemente el desarrollo de
Historia de la automática
- 1. CICLO DE CONFERENCIAS 40 ANIVERSARIO DE CIRCUTOR Salón de actos del Museo Nacional de la Ciencia y de la Técnica Automática: ¿De dónde venimos? ¿Dónde estamos?¿Hacia dónde vamos? Sebastián Dormido Dpto. Informática y Automática E.T.S. Ingeniería Informática UNED, Madrid sdormido@dia.uned.es Terrassa 20 de noviembre de 2013 S. Dormido Automática Contenido 1. Introducción 2. ¿De dónde venimos? 3. ¿Dónde estamos? 4. ¿Hacia dónde vamos? 5. Conclusiones S. Dormido Automática 1
- 2. Contenido 1. Introducción 2. ¿De dónde venimos? 3. ¿Dónde estamos? 4. ¿Hacia dónde vamos? 5. Conclusiones S. Dormido Automática 1. Introducción Concepto de realimentación Lazo abierto Sistema 1 Sistema 2 S. Dormido Lazo cerrado Sistema 1 Sistema 2 Automática 2
- 3. 1. Introducción Concepto de realimentación Control en lazo abierto Controlador Sistema Control en lazo cerrado Controlador Sistema Norbert Wiener: “Realimentación es un método de controlar un sistema, reinsertando en él los resultados de su comportamiento anterior.” S. Dormido Automática 1. Introducción Concepto de realimentación Control en lazo abierto Control en lazo cerrado Perturbación Controlador Sistema Perturbación Controlador Sistema Norbert Wiener: “Realimentación es un método de controlar un sistema, reinsertando en él los resultados de su comportamiento anterior.” S. Dormido Automática 3
- 4. 1. Introducción Concepto de realimentación Una transmisión de información circular de forma continua. Ejemplo: Proceso de llenar un vaso de agua. J. Aracil y F. Gordillo, Dinámica de Sistemas, Alianza Editorial S. Dormido Automática 1. Introducción Concepto de realimentación Una transmisión de información circular de forma continua. Ejemplo: Proceso de llenar un vaso de agua. Si nos tapamos los ojos se rompe el bucle de realimentación J. Aracil y F. Gordillo, Dinámica de Sistemas, Alianza Editorial S. Dormido Automática 4
- 5. 1. Introducción Realimentación en sistemas biológicos Claude Bernard En 1878 reconocía la notable estabilidad del medio ambiente interno de los organismos vivos. W. B. Cannon En 1928 introduce el término “homeostasis” para describir el mantenimiento extraordinariamente estable de tales variables. N. Wiener En 1948 acuña el término “cibernética” para estudiar de forma unificada como los sistemas biológicos, de ingeniería, sociales y económicos se controlan y regulan. S. Dormido Automática 1. Introducción Realimentación en los seres vivos Ataxia locomotriz Temperatura interna de los seres vivos Concentración de glucosa en sangre Ritmo de trabajo del corazón Producción de proteínas por los ribosomas Procesos visuales Regulación de la pupila Regulación de la respiración S. Dormido Automática 5
- 6. 1. Introducción El regulador de Watt Control ¿De dónde venimos? ¿Dónde estamos? El amplificador realimentado Computación Comunicación Sistemas complejos ¿Hacia dónde vamos? Control basado en red S. Dormido Automática 1. Introducción automático, ca en el diccionario de la RAE 1. adj. Perteneciente o relativo al autómata. 2. adj. Dicho de un mecanismo: Que funciona en todo o en parte por sí solo. 3. adj. Que sigue a determinadas circunstancias de un modo inmediato y la mayoría de las veces indefectible. 4. adj. Maquinal o indeliberado. 5. m. Especie de corchete que se cierra sujetando el macho con los dientes de la hembra, que actúan como un resorte. S. Dormido Automática 6
- 7. 1. Introducción automático, ca en el diccionario de la RAE 6. f. Ciencia que trata de los métodos y procedimientos cuya finalidad es la sustitución de un operador humano por un operador artificial en la consecución de una tarea física o mental S. Dormido Automática 1. Introducción Trabajo artesano • El artesano es el responsable de la producción total del producto • Cada producto es “único” • Producción y coste proporcional al número de artesanos S. Dormido Automática 7
- 8. 1. Introducción Trabajo mecanizado • Reorganización de los métodos de producción • División en un número de pasos bien definidos • Diseño de máquinas que ayudan en cada paso • El trabajador es entrenado para operar sus máquinas S. Dormido Automática 1. Introducción Trabajo automatizado • Profundiza en muchas de las características de la mecanización • Los costes de producción dependen de las materias primas, capital invertido y mantenimiento • El trabajador no entra de forma directa en la producción • El trabajador efectúa solamente labores de supervisión S. Dormido Automática 8
- 9. 1. Introducción Ingeniería Mecánica Ingeniería Nuclear Biongeniería Ingeniería Eléctrica Transversalidad de la Automática Ingeniería Aeronaútica Ingeniería Química Ingeniería Civil Ingeniería Naval S. Dormido Automática 1. Introducción ¿Por qué automatizamos? Seguridad Medioambiente Protección del equipo Mantener operativa la planta Calidad de producto consistente Supervisión y diagnosis Rentabilidad económica S. Dormido Automática 9
- 10. 1. Introducción http://www.ceautomatica.es/ S. Dormido Automática 1. Introducción Automática: Definiendo un concepto http://www.youtube.com/watch?v=FOvDMfan5p0 S. Dormido Automática 10
- 11. Contenido 1. Introducción 2. ¿De dónde venimos? 3. ¿Dónde estamos? 4. ¿Hacia dónde vamos? 5. Conclusiones S. Dormido Automática 2. ¿De dónde venimos? Los orígenes y líneas fundamentales del desarrollo de la automática se ilustran por tres dispositivos. 1. Los antiguos relojes de agua 2. Los termostatos 3. Los molinos de viento/agua S. Dormido Automática 11
- 12. 2. ¿De dónde venimos? Molinos de agua S. Dormido Automática 2. ¿De dónde venimos? Molinos de viento S. Dormido Automática 12
- 13. 2. ¿De dónde venimos? Edmund Lee1 (1745) 1. Aprovechamiento de la energía eólica 2. Regular la velocidad de las aspas (1) Patente: “Self regulating wind machine” S. Dormido Automática 2. ¿De dónde venimos? Thomas Mead (1787) La calidad de la harina depende de dos factores: 1. La distancia entre las ruedas móvil y fija 2. La velocidad de rotación de la rueda móvil El regulador de Mead resuelve el problema ya que aseguraba que: 1. La presión ejercida entre las piedras del molino es proporcional a la velocidad de rotación 2. Se regula la velocidad del molino variando el ángulo de ataque de sus aspas S. Dormido Regulador centrífugo de Mead Automática 13
- 14. 2. ¿De dónde venimos? Thomas Newcomen (1712): Constructor de la 1ª máquina de vapor Una máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía de una cantidad de vapor de agua en trabajo mecánico El problema de esta máquina era su bajo rendimiento energético (0,5 %) S. Dormido Automática 2. ¿De dónde venimos? James Watt (1736-1819) Transforma el desarrollo de la máquina de vapor, de un proyecto tecnológico, a una forma viable y económica de producir energía. La máquina de Newcomen emplea casi tres cuartos de la energía del vapor en calentar el pistón y el cilindro. Mejoras introducidas por Watt 1. Desarrolla una cámara de condensación separada que incrementa significativamente la eficiencia. 2. Introduce el cilindro de doble efecto que acepta vapor alternativamente a ambos lados del émbolo Aumenta el rendimiento de la máquina hasta un 4 % S. Dormido Automática 14
- 15. 2. ¿De dónde venimos? Comparación de las máquinas de Newcomen y Watt Máquina de Newcomen Máquina de Watt S. Dormido Automática 2. ¿De dónde venimos? La firma Boulton & Watt Se constituye en 1775 para construir máquinas de vapor en el Soho Foundry en Smethwick, cerca de Birmingham. La firma pasó a sus dos hijos en 1800 y permanece más de 120 años. Todavía en 1895 construían máquinas de vapor. J. Watt M. Boulton La máquina más antigua de la firma es la Smethwick Engine. En 1785 construyen la 1ª máquina de vapor rotatoria para moler malta en la cervecería Whitbread en Londres. S. Dormido En 1784 patentan la locomotora de vapor Automática 15
- 16. 2. ¿De dónde venimos? Incorporación del regulador centrífugo de bolas Velocidad medida Caldera Válvula de admisión Regulador centrífugo de bolas Eje de salida Motor En 1868, solo en Inglaterra, hay más de 75.000 reguladores en funcionamiento. S. Dormido Automática 2. ¿De dónde venimos? Balancín Biela Barra del pistón Volante Regulador Cilindro Caja de válvulas Máquina de vapor, de la Fábrica Nacional de Moneda y Timbre, expuesta en el vestíbulo de la ETSII de Madrid. S. Dormido Automática 16
- 17. 2. ¿De dónde venimos? Inconvenientes del regulador de Watt 1. Proporcionaba control de velocidad en un único punto de operación 2. Funcionaba en un rango pequeño de velocidades 3. Precisaba de un mantenimiento cuidadoso 4. Presentaba una tendencia creciente a oscilar: esto es, la velocidad de la máquina de vapor variaba cíclicamente con el tiempo 5. Este fenómeno también había aparecido en los mecanismos usados para regular la velocidad de los telescopios astronómicos S. Dormido Automática 2. ¿De dónde venimos? Estos problemas atrajeron la atención de: 1868 Maxwell publica su trabajo “On Governors” La estabilidad de un sistema es un problema algebraico. n ai x i J. C. Maxwell 1831-1879 i =0 =0 Que está relacionado con la posición de las raíces de una ecuación polinomial. El objetivo era determinar la estabilidad sin necesidad de calcular las raíces G. B. Airy 1801-1892 Maxwell lo resuelve para polinomios de grado n ≤ 4. S. Dormido Automática 17
- 18. 2. ¿De dónde venimos? El problema lo resuelven E. Routh y A. Hurwitz Routh gana en 1876 el “Adams Prize” con su trabajo “A treatise on the stability of the given state of motion” Cuando Routh presenta su trabajo en la London Mathematical Society comienza diciendo: E. J. Routh 1831-1907 “Ha venido recientemente a mi atención que mi buen amigo James Clerk Maxwell ha tenido dificultades con un problema relativamente trivial ...” Routh no conocía los trabajos previos de C. Hermite (1854) A. Hurwitz 1858-1918 Cuando Hurwitz lo resuelve en 1895 no conoce el trabajo de Routh S. Dormido Automática 2. ¿De dónde venimos? Un problema técnico importante en la telefonía de larga distancia La atenuación en el cable de transmisión 1906 Lee de Forest crea el tubo amplificador tríodo 1915 Enlace telefónico New York - San Francisco • 3.000 millas • Línea áerea de cobre (500 kg/milla) • Frecuencia de corte de 1000 Hz • Atenuación de 60 db • Se reduce a 16 db utilizando 6 amplificadores de repetición • 130.000 postes telefónicos • Una llamada de 3 minutos costaba 20$ • La red telefónica se transformaba en una máquina S. Dormido Automática 18
- 19. 2. ¿De dónde venimos? La creación del Bell Technical Labs (BTL) en 1925 Investigación Dpto de Ingeniería Dpto de Ingeniería Investigación fundamental AT&T Western Electric de productos BTL 3.600 empleados que incluían a 2.000 científicos e ingenieros Solo en 1925 la “Bell System” tuvo 800.000 nuevos abonados S. Dormido Automática 2. ¿De dónde venimos? El objetivo del BTL era aumentar la capacidad y reducir el coste 1ª alternativa: Poner más conversaciones en una única línea Multiplexación de las señales con portadora mayor atenuación más repetidores 2ª alternativa: Aumentar el número de líneas Transmisión por cable mayor atenuación más repetidores Sistema Repetidores 1er TC 6 Portadora 40 Cable 200 Portadora + Cable 600 S. Dormido Automática 19
- 20. 2. ¿De dónde venimos? La característica de los tubos de vacío no era lineal Corriente en el anodo Tensión de rejilla Esta no linealidad introduce distorsión y origina dos problemas 1. Producción de ármonicos entremezclado de las conversaciones 2. Al aumentar los repetidores aumenta la distorsión total conversación ininteligible S. Dormido Automática 2. ¿De dónde venimos? A la búsqueda de un amplificador lineal Entra en escena Harold S. Black • Natural de Massachusetts • En 1921 se gradúa en Ingeniería Eléctrica en WPI • En 1922 comienza a trabajar en el departamento de tubos de vacío de Western Electric H. S. Black 1898-1983 Black se plantea el problema en términos de señales: Salida del amplificador = Señal pura + Distorsión El problema se transforma en como separar ambas señales y quedarse solo con la componente de señal pura S. Dormido Automática 20
- 21. 2. ¿De dónde venimos? La solución en el ferry Lackwana El 6-VIII-1927 en su viaje matinal para ir al trabajo Black se hace el siguiente razonamiento: “Si la ganancia del amplificador la reducimos en una determinada cantidad y esa misma cantidad la realimentamos a la entrada entonces la linealidad se podrá mejorar sustancialmente y la distorsión se reducirá en el mismo factor por el que se disminuye la ganancia” S. Dormido Automática 2. ¿De dónde venimos? Un análisis sencillo del amplificador con realimentación se supone d = 0 d r e + A - - Ae y = Ae y + F e = r − Fy y= A 1 = AF F Ar d y= − 1 + AF 1 + AF si AF >> 1 si d ≠ 0 Ar = Gr 1 + AF G≈ Cuando AF aumenta la conducta del sistema se hace más dependiente de la ganancia de realimentación (F) y menos del resto del sistema (A) 1) Resistencia a la variación de los parámetros internos 2) Resistencia a las perturbaciones en la salida 3) Mejora la fidelidad de la respuesta S. Dormido ΔG 1 ΔA ≈ G 1 + AF A ∂y 1 = ∂d 1 + AF 1 G= F Automática 21
- 22. 2. ¿De dónde venimos? La importancia del descubrimiento de Black El mérito real de Harold Black fue haber formulado el problema de la realimentación negativa en términos muy generales, facilmente reutilizables con otras tecnologías y haber sido el origen de la generalización de este H. S. Black 1898-1983 concepto a otros dominios técnicos IEEE Lamme Medal, 1957 “Muy pocos hombres han tenido la fortuna de influir de forma tan profunda sobre un campo completo de la industria como lo ha hecho Harold S. Black” S. Dormido Automática 2. ¿De dónde venimos? Un problema con los amplificadores realimentados • Hacia 1932 Black y su equipo podían construir amplificadores que funcionaban razonablemente bien. • Sin embargo presentaban una tendencia a inestabilizarse. • Algunos lo hacían cuando aumentaba la ganancia del lazo del amplificador realimentado, lo cual se podía esperar. • Otros manifestaban estas características cuando la ganancia disminuía y esto era completamente inesperado. • Situación análoga a la vista con los reguladores del siglo XIX, un dispositivo práctico exhibía una conducta misteriosa S. Dormido Automática 22
- 23. 2. ¿De dónde venimos? El problema lo resuelve H. Nyquist Nyquist publica en 1932 “Regeneration Theory” que marca el nacimiento de la Automática como disciplina científica • Natural de Nilsby, Suecia • En 1907 emigra a Estados Unidos H. Nyquist 1889-1976 • En 1914 se gradúa en Ingeniería Eléctrica en North Dakota • En 1917 se doctora en física en Yale y comienza a trabajar en AT&T • En 1925 se incorpora al BTL 1. Una forma nueva de ver el probema de la estabilidad 2. Es fácil ver como se puede estabilizar un sistema 3. Se formula en términos de una cantidad medible 4. No depende de la existencia de un modelo matemático Sistemas condicionalmente estables S. Dormido Automática 2. ¿De dónde venimos? S. Dormido Automática 23
- 24. 2. ¿De dónde venimos? Curva de Nyquist de un amplificador realimentado “Regenerative Amplifier and Method of Determining its Stability” U.S. Patent 1,915,440 S. Dormido Automática 2. ¿De dónde venimos? • La realimentación hace posible que podamos diseñar buenos sistemas a partir de malos componentes, pero la realimentación puede dar lugar a inestabilidad (singing) • Nyquist introdujo una forma completamente nueva de mirar el problema de la estabilidad B C A • Es fácil ver como se puede estabilizar un sistema S. Dormido Automática 24
- 25. 2. ¿De dónde venimos? La génesis del amplificador realimentado 1. Agosto de 1927: Black inventa el amplificador realimentado 2. Agosto de 1928: Black presenta su patente a la oficina de patentes americana 3. Julio de 1932: Nyquist publica “Regeneration theory” 4. Enero de 1934: Black publica “Stabilized Feedback Amplifiers” 5. Diciembre de 1937: La oficina de patentes americana aprueba la propuesta presentada por Black 9 años antes (U.S. Patent 2 102 671) S. Dormido Automática Contenido 1. Introducción 2. ¿De dónde venimos? 3. ¿Dónde estamos? 4. ¿Hacia dónde vamos? 5. Conclusiones S. Dormido Automática 25
- 26. 3. ¿Dónde estamos? Transporte S. Dormido Automática 3. ¿Dónde estamos? Generación y distribución de energía S. Dormido Automática 26
- 27. 3. ¿Dónde estamos? Control de procesos S. Dormido Automática 3. ¿Dónde estamos? Fabricación discreta S. Dormido Automática 27
- 28. 3. ¿Dónde estamos? Electrónica de consumo S. Dormido Automática 3. ¿Dónde estamos? Robótica S. Dormido Automática 28
- 29. 3. ¿Dónde estamos? Cirugía asistida por robots S. Dormido Automática 3. ¿Dónde estamos? Eje tecnológico Computación Control Comunicación S. Dormido Automática 29
- 30. 3. ¿Dónde estamos? Eje científico Química Matemática Control Física Biología S. Dormido Automática 3. ¿Dónde estamos? Eje tecnológico Eje científico Computación Química Matemática Control Física Biología Comunicación S. Dormido Automática 30
- 31. 3. ¿Dónde estamos? Control Computación Evolución del parque de computadores Computadores de propósito general y PC’s Computadores en control de procesos Computadores empotrados Fuente: K. J. Åström “Challenges in Control Education”, ACE’06 S. Dormido Automática 3. ¿Dónde estamos? Control Computación Implementación de sistemas de control Dpto de Control Dpto de Informática 1. Modelar la planta 1. Diseñar hard + soft 2. Analizar modelo 2. Test estructural 3. Variables a controlar 3. Test funcional 4. Configuración de control 4. Validación 5. Tipo de controlador 6. Especificaciones 7. Diseñar controlador Metáfora del muro S. Dormido Automática 31
- 32. 3. ¿Dónde estamos? Comunicación en control Tecnología de comunicación dominante Neumática 3–15 psi Analógica 4–20mA Smart 4–20mA Múltiples buses de campo Inalámbrica WirelessHART ISA 100 ZigBee …. 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Los sistemas inalámbricos se benefician de: • Costes de instalación y mantenimiento ↑↑ • Flexibilidad y capacidades de medida ↑↑ Grandes cambios en la arquitectura de los sistemas de control S. Dormido Automática Contenido 1. Introducción 2. ¿De dónde venimos? 3. ¿Dónde estamos? 4. ¿Hacia dónde vamos? 5. Conclusiones S. Dormido Automática 32
- 33. 4. ¿Hacia dónde vamos? Características de los sistemas de control del futuro 1. Complejidad y heterogeneidad 2. Control en entornos de red asíncronos y distribuidos 3. Coordinación y autonomía de alto nivel 4. Síntesis automática de algoritmos de control con verificación y validación integrada 5. Construcción de sistemas muy fiables a partir de componentes menos fiables S. Dormido Automática 4. ¿Hacia dónde vamos? Tres textos de reflexión National Academy of Engineering S. Dormido Informe Murray AFOSR Informe IEEE Control System Society Automática 33
- 34. 4. ¿Hacia dónde vamos? Complejidad: La nueva frontera Tradicionalmente el control se ha focalizado sobre sistemas sencillos S. Dormido Automática 4. ¿Hacia dónde vamos? Complejidad: La nueva frontera Tradicionalmente el control se ha focalizado sobre sistemas sencillos Sistema 1 (coche) S. Dormido Automática 34
- 35. 4. ¿Hacia dónde vamos? Complejidad: La nueva frontera Tradicionalmente el control se ha focalizado sobre sistemas sencillos Sistema 1 (coche) Sistema 2 (conductor) S. Dormido Automática 4. ¿Hacia dónde vamos? …. pero esto no es suficiente! Nuevas aplicaciones desafian a esta forma tradicional de pensamiento S. Dormido Automática 35
- 36. 4. ¿Hacia dónde vamos? Todos estos sistemas son conjuntos de muchas entidades que se comunican unas con otras en un red de interconexiones S. Dormido Automática 4. ¿Hacia dónde vamos? Todos estos sistemas son conjuntos de muchas entidades que se comunican unas con otras en un red de interconexiones S. Dormido Automática 36
- 37. 4. ¿Hacia dónde vamos? Todos estos sistemas son conjuntos de muchas entidades que se comunican unas con otras en un red de interconexiones S. Dormido Automática 4. ¿Hacia dónde vamos? Todos estos sistemas son conjuntos de muchas entidades que se comunican unas con otras en un red de interconexiones S. Dormido Automática 37
- 38. 4. ¿Hacia dónde vamos? Todos estos sistemas son conjuntos de muchas entidades que se comunican unas con otras en un red de interconexiones S. Dormido Automática 4. ¿Hacia dónde vamos? Todos estos sistemas son conjuntos de muchas entidades que se comunican unas con otras en un red de interconexiones S. Dormido Automática 38
- 39. 4. ¿Hacia dónde vamos? Todos estos sistemas son conjuntos de muchas entidades que se comunican unas con otras en un red de interconexiones S. Dormido Automática 4. ¿Hacia dónde vamos? La red de interconexiones increíblemente complejas. (topología) puede ser ... y pueden emerger nuevas conductas que no se pueden explicar en términos de la conducta de cada agente. S. Dormido Automática 39
- 40. 4. ¿Hacia dónde vamos? Sincronización Sincronisación de 5 metrónomos acoplados realizado en el Dpto de Físicas de la Universidad de Lancaster. S. Dormido Automática 4. ¿Hacia dónde vamos? Bandadas S. Dormido Automática 40
- 41. 4. ¿Hacia dónde vamos? Una bandada de nano cuadri-rotors Experimentos realizados con un conjunto of nano cuadri-rotors el el GRASP Lab, Universidad de Pennsylvania. Vehiculos desarrollados por KMel Robotics. S. Dormido Automática Contenido 1. Introducción 2. ¿De dónde venimos? 3. ¿Dónde estamos? 4. ¿Hacia dónde vamos? 5. Conclusiones S. Dormido Automática 41
- 42. 5. Conclusiones El impacto de la Automática • Emerge como una disciplina crucial en apenas 70 años • Desarrollo muy dinámico y motivador • Trasciende las fronteras de las ingenierías tradicionales • Son sistemas de “misión crítica” • “Tecnología oculta” • Su utilización es vital en nuestra sociedad S. Dormido Automática 5. Conclusiones La Automática dispone en la actualidad de un cuerpo bien establecido de teorías, ideas, conceptos y métodos de diseño y un conjunto de áreas de aplicación en continua expansión. y lo que es mucho más importante Un excelente grupo de jóvenes investigadores creativos y con talento S. Dormido Automática 42
- 43. 5. Conclusiones Una mirada vigilante • Interacción control – comunicación – computación • Conexión con la industria • Conocimiento específico del dominio de aplicación • Posicionamiento académico S. Dormido Automática 43