IMPORTANCIA Y FUNDAMENTO HISTÓRICO DE LOS SISTEMAS DE CONTROL 

Importancia del Control Automático. 

Los controles automáticos tienen una intervención cada vez más importante en la vida diaria, desde los simples controles que hacen funcionar un tostador automático hasta los complicados sistemas de control necesarios en vehículos espaciales, en guiado de proyectiles, sistemas de pilotajes de aviones, etc. Además el control automático se ha convertido en parte importante e integral de los procesos de manufactura e industriales modernos. Por ejemplo el control automático resulta esencial en operaciones industriales como el control de presión, temperatura, humedad, viscosidad y flujo en las industrias de procesos, maquinado manejo y armado de piezas mecánicas en las industrias de fabricación, entre muchas otras. 

En la actualidad en las modernas fábricas e instalaciones industriales, se hace cada día más necesario de disponer de sistemas de control o de mando, que permitan mejorar y optimizar una gran cantidad de procesos, en donde la sola presencia del hombre es insuficiente para gobernarlos. La industria espacial y de la aviación, petroquímica, papelera, textil, del cemento, etc. son algunos ejemplos de lugares en donde se necesitan sistemas de control, cuya complejidad ha traído como consecuencia el desarrollo de técnicas dirigidas a su proyecto y construcción. 

El control automático ha jugado un papel vital en el avance de la ingeniería y la ciencia. Como los avances en la teoría y práctica del control automático brindan los medios para lograr el funcionamiento óptimo de sistemas dinámicos, mejorar la calidad y abaratar los costos de producción, liberar de la complejidad de muchas rutinas de tareas manuales respectivas, etc; la mayoría de los ingenieros tienen contacto con los sistemas de control, aún cuando únicamente los usen, sin profundizar en su teoría. 

Los sistemas de control son sistemas dinámicos y un conocimiento de la teoría de control proporcionará una base para entender el comportamiento de tales sistemas, por ejemplo, muchos conceptos de la teoría de control pueden usarse en la solución de problemas de vibración. En este sentido, la teoría de control automático no es sino una pequeña parte de una teoría más general que estudia el comportamiento de todos los sistemas dinámicos. 

En todos los sistemas de control se usan con frecuencia componentes de distintos tipos, por ejemplo, componentes mecánicos, eléctricos, hidráulicos, neumáticos y combinaciones de estos. Un ingeniero que trabaje con control debe estar familiarizado con las leyes físicas fundamentales que rigen estos componentes. Sin embargo, en muchos casos y principalmente entre los ingenieros, los fundamentos existen como conceptos aislados con muy pocos lazos de unión entre ellos. 

El estudio de los controles automáticos puede ser de gran ayuda para establecer lazos de unión entre los diferentes campos de estudio haciendo que los distintos conceptos se usen en un problema común de control. El estudio de los controles automáticos es importante debido a que proporciona una comprensión básica de todos los sistemas dinámicos, así como una mejor apreciación y utilización de las leyes fundamentales de la naturaleza.

Fundamento Histórico. 

Uno de los primeros sistemas de control fue el dispositivo de Herón para la apertura de puertas en un templo en el siglo primero, como se visualiza en la Fig. 1. La señal de mando del sistema fue el encendido del fuego, el aire se calienta, dilatándose y produce el traslado del agua de un tanque de depósito a una cuba. Al aumentar la cuba de peso, desciende y abre la puerta del altar por medio de una cuerda, dando lugar a la subida de un contrapeso; la puerta puede cerrarse apagando o atenuando el fuego. Al enfriarse el aire en el recipiente y reducirse su presión, el agua de la cuba por efecto sifón, vuelve al depósito; así la cuba se hace más liviana y al ser mayor el contrapeso se cierra la puerta. Esto tiene lugar siempre que la cuba esté más alta que el depósito.

El primer trabajo significativo en control automático fue el regulador centrífugo de James Watt desarrollado en 1778, para el control de velocidad de una máquina de vapor, la Fig 2 muestra el dispositivo.

Otras etapas relevantes en el del desarrollo de la teoría de control son debidas a Minorsky, Hazen y Nyquist entre muchos otros. 

En 1922 Minorsky trabajó en centrales automáticas de dirección en barcos y mostró como se podía determinar la estabilidad a partir de las ecuaciones diferenciales que describen el sistema. En 1932 Nyquist desarrolló un procedimiento relativamente simple para determinar la estabilidad de los sistemas de lazo cerrado sobre la base de la respuesta de lazo abierto con excitación senoidal en régimen permanente. En 1934, fecha de mucha importancia para los sistemas de control automático, es cuando Hazen publica el artículo “Teoría de Servomecanismos”, relacionado con dispositivos de control de posición, marcando el principio de esta nueva actividad, el nombre empleado para describir tales mecanismos proviene de las palabras siervo y mecanismo, así la palabra servomecanismo significa un mecanismo esclavo o servidor. Es interesante hacer notar que apareció en el mismo año un importante artículo de Black sobre amplificadores realimentados. Durante los siguientes seis años se realizaron menos estudios básicos. Debido al sigilo impuesto por la segunda guerra mundial, los avances conseguidos durante el período 1940 a1945 quedaron ocultos demorándose así el rápido progreso de este campo. Desde la supresión del secreto militar, en 1945, se ha hecho un rápido progreso en esta ciencia; se han escrito libros y millares de artículos, así como la aplicación de los sistemas de control en los campos industrial y militar ha sido extensiva.

Los métodos de respuesta en frecuencia posibilitaron a los ingenieros el diseño de sistemas de control lineales realimentados que satisfacían las necesidades de los comportamientos de los mismos. También el desarrollo del método del lugar de las raíces posibilitó rápidos avances en el estudio de los sistemas de control. 

Los métodos de respuesta de frecuencia y del lugar de las raíces que son el corazón de la teoría de control clásica, llevan a sistemas que son estables y que satisfacen un conjunto de requerimientos de funcionamiento más o menos arbitrarios. Estos sistemas, en general, no son óptimos en ningún sentido significativo. Desde fines de la década del 50, se orientó el énfasis en el proyecto de diseño de sistemas óptimos en algún sentido determinado. Como las plantas modernas con muchas entradas y salidas se van haciendo cada vez más complejas, la descripción de un sistema moderno de control requiere una gran cantidad de ecuaciones. 

La teoría del control clásica que trata de sistemas de entrada y salida únicas se vuelve obsoleta ante sistemas de múltiples entradas y salidas. Desde aproximadamente 1960 se ha desarrollado la teoría del control moderna para afrontar la creciente complejidad de las plantas modernas y las necesidades rigurosas en exactitud, peso, costo en aplicaciones militares, espaciales e industriales. 

El uso de computadoras digitales cada vez más potentes, de menor costo, y fácil disponibilidad se ha convertido en una práctica habitual para la realización de cálculos complejos y la implementación de algoritmos de control en el proyecto de sistemas de control. 

Los desarrollos más recientes en la teoría de control moderna se hallan orientados en la dirección del control óptimo de sistemas tanto determinísticos como estocásticos, así como en sistemas de control moderno a campos no ingenieriles como la biología, economía y sociología.