El documento más antiguo encontrado donde  se menciona una Clepsydra es el registro de un procedimiento judicial donde se le nombra como una ayuda para asegurar que ambas partes dispongan del mismo tiempo para las alegaciones finales.

tenían ciertas dificultades para levantarse por la mañana, lo cual era fuente  de discusiones todos los  días. Es de suponer que ante el ruido de las bolas los “despiertos” alumnos terminarían por levantarse.

En la Clepsydra de la Figura  2 el caudal  suministrado  al depósito  b es  constante  por  lo cual este tardará en llenarse un tiempo determinado y fijo al final del cual las bolas caen sobre la bandeja ejerciendo la función de alarma.

Philon de Bizancio, construyo un sistema de regulación de nivel de una lámpara de aceite. Al quemarse el aceite de la lampara, el nivel del depósito  de aceite bajaba haciendo que entrará aire en otro  depósito  de forma que éste  suministraba  más aceite  al depósito  de la lámpara.

Con este sistema no se conseguía un nivel  constante  en  el depósito pero se aseguraba la recarga de este cuando el aceite se iba consumiendo.

En el primero describe varios sistemas realimentados y en el segundo presenta complicados aparatos que ejecutan un programa fijo.

Solo que subir o  bajar el nivel del flotador para decidir el nivel del depósito a.

Por el simple equilibrio de energía se produce el efecto de la realimentación.

En el Siglo XVII se presentan diversos sistemas de regulación  de temperatura,  entre ellos los aplicados en el horno y la incubadora de Drebel. El principio utilizado en  la  regulación de temperatura es el siguiente, si la temperatura del horno sube se dilata  el contenido de un depósito de alcohol  de forma que se desplaza  un juego  de palancas  que  abre un orificio de salida de gases.

Lee inventa un sistema para controlar automáticamente la  orientación e inclinación de las aspas de los molinos de viento, de modo que se aprovechara mejor la dirección del viento. En esta patente [Lee 1745]  se describen dos mecanismos. El molinillo de cola, el cual no gira si no se encuentra en la dirección normal al viento, y por lo tanto no hace girar la cúpula del molino. Un variador automático del ángulo de ataque de las aspas. Con el que se podía regular la velocidad de giro de las aspas del molino.

Tiempo después, el francés Denis Papín  diseñaría  una máquina de vapor donde la presión atmosférica jugaba un papel decisivo.

En el Siglo XVII se empezaron a desarrollar las  primeras  máquinas  de  vapor.  Al  calentar agua para producir vapor, este alcanza un volumen 2700 veces superior a la misma masa de agua líquida. Esta propiedad expansiva del vapor constituye el fundamento de la máquina que lleva su nombre, un ingenio que revolucionaría la sociedad occidental.

Pero su rendimiento era muy pobre, tan solo el 0.5% de la energía del combustible utilizado.

A pesar de ello, en 1760 había más de 100 máquinas trabajando.

El resultado  fue que se aumento el rendimiento de la máquina hasta el 4%.

Se debe remarcar que la invención de los reguladores centrífugos se le ha atribuido desde siempre a Meilke, el cual era el líder en el diseño e implantación de molinos, pero se reconoce que Meilke basó los diseños  de sus reguladores centrífugos  en el ingenio  patentado  por Mead  en 1787.

Watt sugiere inmediatamente la posibilidad de aplicar el mismo principio  para  controlar  la velocidad  de  las máquinas de vapor, y es probable que antes de final de año tuviera diseñado su primer regulador centrífugo.

Boulton y Watt hicieron lo posible para que el diseño de su regulador permaneciera secreto el máximo tiempo posible. Cuando la patente de Watt caduca en 1800, su regulador

Este regulador mecánico por medio de un sistema de palanca regulaba la cantidad de vapor suministrada por la caldera a la turbina de  la  máquina  de  vapor.  Este  invento  resultará ser de gran importancia en el desarrollo  histórico  de  la  Regulación  Automática, dado que incorpora el sensor y el actuador en un único ingenio, sin disponer de un amplificador de potencia que aislará el sensor del actuador. [Auslander 71]

No se puede afirmar que estos ejemplos aislados  supongan  la existencia  de algún  tipo de Ingeniería o Teoría de Control Automático,  dado  que  ni  siquiera  existían  las herramientas matemáticas necesarias para ello.

Los primeros reguladores de Watt funcionaron satisfactoriamente debido fundamentalmente al considerable rozamiento que presentaban sus mecanismos, haciendo

Vischnegradsky también demostró la incapacidad de  un  regulador  proporcional para establecer un correcto comportamiento de un sistema de tercer orden.

Maxwell plantea de esta forma el problema general de estudiar la estabilidad de un sistema dinámico en función de la localización de las raíces de su ecuación carácterística. Hermite había publicado un trabajo sobre el mismo problema unos  años  antes  pero  no era muy conocido.

En este trabajo presenta por primera vez su conocido criterio de estabilidad.

Lo que no le faltaba a Routh era ironía en sus palabras.

Bompiani demostraría  en 1911 la equivalencia  de los criterios  de Routh  y Hurwitz  [Bompiani 11].

En  1889, Liapunov presenta sus trabajos sobre estabilidad, los cuales servirán de base    a la teoría moderna de control. Es importante  resaltar  la aportación de Heaviside,  aplicando el análisis impulsional en el estudio de los sistemas dinámicos. Heaviside es el primero que aplica el cálculo operacional a un amplio espectro de problemas de Ingeniería Eléctrica.

La importancia del control automático durante el final del siglo  XIX  y comienzos del XX se pone de manifiesto con la concesión en 1912 del Premio Nobel de Física al sueco  Dalen por su desarrollo de reguladores automáticos que se utilizan conjuntamente con los acumuladores de gas para balizas luminosas.

A finales del siglo  XIX  se encuentran asentadas  las  bases  necesarias  para  el desarrollo de Teoría de Control Automático, llevado a cabo durante este Siglo XX.

Control clásico.

Hasta bien entrado el Siglo XX las únicas herramientas analíticas que poseía el especialista en control eran la utilización de ecuaciones diferenciales ordinarias junto con criterios álgebraicos para determinar la posición de las raíces de la ecuación carácterística asociada. Aplicando  el criterio  de Routh  y Hurwitz  el ingeniero  determinaba  la estabilidad  o no de los sistemas, pero para esto se debía obtener el modelo matemático operando

Además ahí que destacar que el criterio  de Routh  y Hurwitz  no ofrece  información  de cómo  mejorar  la estabilidad del sistema.

Desde el punto de vista teórico, la Ingeniería de Control se empieza  a  consolidar  cuando se produce  el traslado  y aplicación  de los conocimientos  adquiridos  en  los problemas de amplificación de señales a los problemas de control industrial.

Estos estudios desembocan en la llamada Teoría Clásica de Control, en la cual se utililizaban como herramientas matemáticas los métodos de Transformación de Laplace y Fourier y la descripción externa de los sistemas.

Estudia la estabilidad y los efectos de los retrasos de la información sobre las salidas de los Sistemas.

Hazen en su publicación “Theory of Servomechanism” (1934) [Thaler 74], analiza el funcionamiento de los servomecánismos  utilizando  en su análisis   entradas  típicas   de escalón y rampa. En sus trabajos estudia el diseño de servomecánismos para posicionar ejes.

El desarrollo de las técnicas frecuenciales.

Destacan los trabajos de Nyquist (1932), Black (1934) y Bode (1940).

El suceso que realmente marca época en el desarrollo de los métodos de respuesta en frecuencia es la aparición de trabajo clásico de Nyquist sobre la estabilidad de

Su investigación surge de los problemas que presentaba la atenuación y distorsión de la señal en la telefonía a grandes distancias.

La atenuación de la señal a lo largo de las 3000 millas era de 60 dB, se redujo a 18dB utilizando seis amplificadores con una ganancia total de 42 dB.

Para mantener la inteligibilidad de la señal de audio transmitida  en distancias intercontinentales  se requería  una linealidad efectiva del amplificador muy lejos de la que la tecnología era capaz de dar (  una distorsión del orden del 0.005%).

Black de los laboratorios Bell quien propuso la idea de un amplificador realimentado, en su trabajo “Stabilized Feedback  Amplifiers”  [Thaler  74]  en  1934.  El  descubrimiento importante de Black fue que la elevada ganancia en un dispositivo amplificador no lineal y cuyos parámetros eran variables con el tiempo se podía negociar para conseguir una   reducción en la distorsión no lineal de manera que el sistema se comportase como  una ganancia lineal, estable  y precisa.  Black  utiliza  el criterio  de Nyquist  y llega  a interpretar una serie de fenómenos que se producen en los sistemas realimentados.

Algunos lo hacían cuando aumentaba la ganancia del lazo del amplificador  realimentado,  lo  cual  se  podía esperar, pero otros manifestaban estas carácterísticas cuando la ganancia se disminuía y esto si que era completamente inesperado.

Su descripción en términos de un  conjunto  de  ecuaciones diferenciales, como en el análisis clásico de los sistemas de control automático de origen mecánico era casi una tarea imposible a la vista  de las rudimentarias  facilidades  disponibles  en esos años para la solución por computador de tales ecuaciones.

El famoso trabajo  de Nyquist  resolvíó  este misterio,  abríó  totalmente  nuevas  perspectivas en la teoría de los mecanismos realimentados y por  lo  tanto  comenzó  una  nueva era en el Control Automático. Antes de 1932 el enfoque basado en las ecuaciones diferenciales había sido la gran herramienta del ingeniero del control;  en  la  década  que  siguió a la contribución de Nyquist estas técnicas fueron casi completamente reemplazadas

Más aún, el contorno del lugar de Nyquist daba una indicación inmediata  de cómo se podía  mejorar  la conducta  de  un sistema realimentado  que estaba muy poco amortiguado o que incluso era inestable simplemente modificando de una manera apropiada su carácterística de ganancia en lazo abierto en función de la frecuencia.

La oficina de patentes  británica, en palabras de Black, trató la aplicación “como si se tratase de una máquina de movimiento continuo”.

En otro de los trabajos clásicos que están en los fundamentos de la  Teoría  del Control, H. Bode realizó este análisis, extendiendo resultados previos de Lee y Wiener.

De esta forma fue capaz de dar  reglas para obtener la forma óptima de la ganancia del lazo en función de la frecuencia para  un amplificador realimentado.

En estos procesos la evolución  de  la  variable  controlada  era  tan lenta ( y lo sigue siendo) que el control se hacia mediante realimentación manual. Los  primeros pasos que se dan para controlar estos  procesos  son  la  incorporación  de instrumentos para supervisar la operación y registradores de plumilla.  El desarrollo  natural  fue utilizar el movimiento  de la plumilla  del registrador  para efectuar  una acción  de realimentación sobre las válvulas de control en la planta utilizando líneas de transmisión, amplificadores y transductores neumáticos.

Los primeros controladores de temperatura, ofrecían una acción de control de tipo on-off por medio  de un simple  mecanismo conmutador  o relé que pronto  se reveló

El máximo valor recomendado entonces para  la  banda  proporcional  era  del  cinco por ciento.

Durante los años 30 se desarrollaron completamente  estos  reguladores  neumáticos  y  se transfirió a este campo del control la idea de utilizar el término de acción integral que se venía empleando  desde  tiempo  en los sistemas  mecánicos.  El primer  regulador  de  temperatura con acción proporcional integral  fue  el Foxboro Stabilog patentado por Masón en 1931. Hay que hacer constar que en  un  principio  el  Stabilog no tuvo mucho éxito comercial, debido entre otras cosas a su precio y a que no era comprendido su funcionamiento.

La importancia de estas reglas de ajuste óptimo de controladores es enorme, siguen siendo vigentes y profusamente usadas en el  ámbito  del control de procesos industriales.

El trabajo de Ziegler y Nichols es pionero en el desarrollo de la  idea  de  control  óptimo, aunque su criterio de optimización, que consiste en minimizar la superficie de error absoluto, no se puede tratar analíticamente.

Un paso crucial en la transferencia de las técnicas utilizadas en el análisis de los amplificadores realimentados de los sistemas de telefonía a otras clases de sistemas fue realizada por H. Harris del MIT en su trabajo “The analisys and design of servomechanics” [Harris 42], en el cual introduce el uso de funciones de transferencia en el análisis de un sistema realimentado  general.  Esto permitíó  que un servomecanismo   mecánico   o  un sistema de control de un proceso  químico  se representasen mediante  diagramas  de bloques  y utilizasen las técnicas del dominio frecuencial.

Avances durante la Segunda Guerra Mundial.

Un gran estímulo para el desarrollo de la técnica lo  constituyen  las  guerras.  La Segunda Guerra Mundial supuso un gran impulso al desarrollo teórico y mucho más al desarrollo práctico, dada la fuerte necesidad  de sistemas de control  que funcionarán  como  los servos de los radares y el posicionamiento de cañones.

La Segunda Guerra Mundial creó una necesidad urgente para diseñar  servomeca- nismos de altas prestaciones y condujo  a grandes  avances  en la forma  de construir  sistemas de control realimentados. Las exigencias de la guerra enfocaron la atención  sobre  un  problema importante: el llamado problema de control de tiro, proporcionando una cadena automática de órdenes entre la detección del blanco, el apuntamiento del arma y el disparo. Este problema tiene tres etapas:

Detección y seguimiento del blanco. Predicción. Colocación del cañón en posición de disparo.

Cuando la guerra progresó, aumentó la velocidad de los blancos, el personal entrenado comenzó a escasear y la aparición de los radares de seguimiento mejoró notablemente la capacidad de predicción: era pues el momento para  que  el  control  automático se hiciese notar.

Vannevar Bush del Comité de Investigación de Defensa Nacional (NDRC).

El comité  era responsable  de la dirección  de la investigación  y de la  circulación de informes reservados a los grupos apropiados.

Los siguientes trabajos han sido recogidos en la colección [Thaler 74]:

Albores de la era espacial.

Desde siempre los procesos más complejos comandados por computador han sido las aplicaciones de control de vuelo aerospaciales. Tsiolkovsky (1857-1935), y el  alemán  Hermann  Ganswindt  (1856-1934)  que  criticaron  a los ast rónomos y matemáticos de la época que aseguraban que nunca jamás el ser humano poseería los medios para conseguir el control, la precisión y la velocidad necesaria para los vuelos en el espacio.

Uno de los primeros trabajos en este  campo  se debe  al alemán Hermann Orberth, que en su articulo “Die Rakete zu den Planetenräumen” (Cohetes en el espacio interplanetario)

Nada más lejos de la realidad,  las pruebas  realizadas  por los investigadores  alemanes afirmaban que les era imposible controlar los misiles con la debida  precisión.  Los ingenios eran alineados hacia su objetivo (primero fue París  y  después  Londres),  pero  una  vez  habían sido lanzados era imposible modificar la trayectoria del misil.

También se traslado allí todo el equipo científico alemán que continuó con su labor de investigación.

El resto de la historia es de sobra conocida por todos nosotros. ¿Llegará alguno de nuestros hijos al Planeta Rojo?

Los años clásicos: 1945-1955

Desde el punto de vista del desarrollo de las técnicas de diseño de control automático,    el principal resultado de este gran esfuerzo y experiencia fue extender rápidamente la utilización de las ideas de respuesta en frecuencia a todos los campos  y producir así una  teoría unificada y coherente para los sistemas realimentados con un único lazo.

En este  trabajo  se da un enfoque radicalmente  distinto  del estudio  del problema del control, y supone el inicio de la conocida  como  teoría  estocástica clásica. Las aportaciones de Wiener consisten en  considerar  la  presencia  de  ruidos en las señales, e introduce también el concepto de control óptimo, cuyo  objetivo  consiste en minimizar un determinado criterio  que  define  la  calidad  del  control,  en  este  caso minimiza la superficie de error cuadrático [Wiener 49].

Todo ello, conduce a la formulación  de lo que se denominaría cibernética en su trabajo “Cybernetics” de 1948 publicado por el MIT press [Wiener 48].

A finales de la década de los cuarenta, surgen otras dos vías de desarrollo de la teoría   de control: el Método del modelo de Truxal [Truxal 54] y el método del lugar de las Raíces,

Se presentan también aportaciones como la  extensión  de  los  métodos  frecuenciales a sistemas no-lineales y a sistemas estocásticos.

Partiendo de las especificaciones deseadas se obtiene la función de transferencia que debe seguir el sistema de control. Pero se manifestaban en él algunas dificultades prácticas como podían ser  la  complejidad de los correctores que se obtienen, que dejaban de tener la estructura clásica  PID.

Los trabajos de Evans:

“Graphical Analysis of Control Systems” [Evans 48].

En palabras del propio autor “el lugar de las raíces determina todas las  raíces de la ecuación diferencial de un sistema de control por medio de una representación gráfica, la cual permite  una síntesis  rápida de la respuesta transitoria o  frecuencial  deseada”.

A su favor,  aporta  un método  gráfico  de estimar  la influencia de variaciones  en los parámetros  del sistema  o del regulador  sobre  la  estabilidad y el comportamiento dinámico de los sistemas.

Primeros pasos del control por computador.

Como la rotación de un radar de seguimiento solamente ilumina a su blanco de forma intermitente, muchos de los sistemas de control de tiro desarrollados durante  la  Segunda Guerra Mundial tuvieron que diseñarse para tratar con datos  que  estaban  disponibles  de forma pulsada o muestreada.

Los computadores desarrollando funciones de control de procesos son elementos que trabajan por ciclos. No trabajan en tiempo continuo sino en tiempo discreto. El computador necesita un tiempo para adquirir las entradas (mando y realimentaciones), calcular las  acciones, y para volcar las acciones sobre el sistema, que consiste en un proceso  de  conversión  digital-analógico.  Este ciclo se ejecuta cada cierto intervalo de tiempo o período   de muestreo por lo que los computadores trabajan  en tiempo discreto. Por lo tanto la teoría de los sistemas continuos desarrollada hasta entonces era inservible.

Las bases para un tratamiento efectivo de  los  sistemas  muestreados  fueron  establecidas por Hurewicz, quien desarrolló una extensión apropiada del  criterio  de estabilidad de Nyquist para este tipo de sistemas. El posterior desarrollo de las técnicas de cálculo digital iba pronto a conducir a un campo de investigación muy activo sobre tales sistemas discretos. Shanon en 1948 estudia los procesos de muestreo y reconstrucción de señales con presencia de ruido [Shanon 48].

En el desarrollo de estos métodos se deben destacar los trabajos de Pontryagin, La Salle, Bellman y Kalman.

Kalman efectúa la resolución de los problemas de control óptimo cuadrático y lineal cuadrático gaussiano.

Al final de los sesenta y comienzo de los setenta se presenta el enfoque geométrico del problema de control, que utiliza métodos del álgebra lineal. En paralelo se desarrollan los métodos de identificación de sistemas, por mínimos cuadrados y de máxima verosimilitud, este último fue desarrollado por  Fisher  en  1912 y aplicado en sistemas industriales por Åström y Bohlin en 1965.

Desde un punto de vista conceptual, las técnicas adaptatívas aparecen cuando se transvasan a la máquina comportamientos inherentes al hombre: La adaptación, no en términos de decisiones (conseguida con la realimentación simple), sino en término de estructuras para la decisión.

Las Estructuras de Control adaptatívas que han tenido mayor impacto técnico son:

Sistemas Auto-Ajustables. Sistemas Adaptativos con Modelo de Referencia (S.A.M.R.).

El concepto de regulador autoajustable fue propuesto inicialmente por Kalman,  utilizando un método de identificación  de mínimos cuadrados recursivos en  su  artículo “Design of a self-optimizing control system” [Kalman 58], otro sistema, basado en la minimización de la varianza de salida es desarrollado por Peterka en 1970, y por Åström y Witenmark en [Åström 73]. Se consideraba el problema en un entorno estocástico.

La técnica de los sistemas autoajustables se basa en que si se dispone de un método válido de diseño de reguladores que parte del conocimiento del modelo del proceso, para realizar un control  que  se  adapte  a los cambios en el proceso basta con acoplar ese método de diseño de reguladores con un procedimiento de identificación en línea. Este “calculador” consiste en un estimador recursivo de los parámetros del sistema o proceso controlado. Los resultados del estimador servirán para calcular los valores óptimos de los coeficientes del regulador.

El computador suministra al computador unas informaciones elaboradas  como pueden ser alarmas, tratamiento de fallos, procedimientos de rearme.

Control secuencial

. En esta función el computador suele tomar la forma de autómata programable, en el cual se ejecutan programas de control de sistemas secuenciales.

Control analógico digital

. Es una forma de control que se utilizaba con los primeros computadores en la cual el computador se encargaba de elaborar la consigna de los bucles analógicos.

Control digital directo

. El computador ejecuta directamente el  control  del  proceso continuo. Toma la forma  de regulador industrial o de  computador  industrial con tarjetas de interface con el proceso.

Análisis de datos

. Función clásica de los computadores de gestión en el que se analizan los datos de producción por medio de herramientas de ofimática.

Evolución histórica de la tecnología del control por computador aplicada al control de sistemas continuos.

El desarrollo de la tecnología  del computador  aplicada  al control  de procesos industriales, recibíó a finales de los años cincuenta un gran impulso debido a que existían industrias como las refinerías de petrolíferas donde los procesos a controlar en este tipo de plantas son complicados. Los sistemas de control disponibles estaban bastante limitados, implicando en el proceso de fabricación a gran cantidad de mano de obra, como sucedía en     la Industria de producción de  papel. Los operarios eran quienes  decidían cuales eran las referencias de mando más adecuadas para el sistema de control analógico.

El primer trabajo sobre la aplicación del computador  al control Industrial  aparece  en un articulo realizado por Brown y Campbell en el año 1950.

Brown, G.S., Campbell, D.P.: Instrument engineering: its growth and promise in process-control problem [Brown 50].

En dicho artículo aparece un computador controlando un sistema mediante bucle de realimentación y prealimentación.  Los autores  asumen  que los elementos  de cálculo  y control  del  sistema deben ser computadores de cálculo analógicos, pero sugieren el posible  uso de un computador digital.

La iniciativa no parte  como  cabría suponer de la industria  del control y manufactura, sino de los fabricantes  de  computadoras  y  de  sistemas electrónicos que buscaban nuevos mercados para dar salida a productos que no se habían terminado de adaptar a las aplicaciones militares.
Pero este no era un sistema de control industrial. Su función era supervisar el correcto funcionamiento de la instalación.

El primer computador dedicado a control industrial se instaló en la refinería de Port Arthur, en Texas. La refinería comenzó a funcionar  controlada  en bucle cerrado  por computador el 15 de Marzo de 1959.

En los años 1957-1958 la compañía química Monsanto en cooperación con Ramo- Wooldridge estudian la posibilidad de instalar control por computador. En Octubre de 1958 deciden implantar un sistema de control en la planta de la ciudad de Luling, dedicada a la producción de amoniaco. Este sistema como otros muchos basados en el ordenador RW- 300 no realizaban un control digital directo sobre las plantas, sino que eran sistemas supervisores dedicados a calcular las referencias óptimas de   los reguladores analógicos. Este sistema se denomina control analógico-digital  (DAC)  o  control supervisor. Se debe observar que este esquema de control fue protegido  por  una patente (EXNER Patent), lo cual ha limitado su aplicación.

En 1961 la Monsanto comienza a diseñar un control digital directo (DCC) para  una planta en Texas city y un sistema de control jerarquizado para el complejo petroquímico de Chocolate Bayou. En el control digital directo el computador controla  directamente  el  proceso, tomando medidas del proceso y calculando la acción a aplicar.

Comenzó a funcionar en Noviembre de 1962.

El sistema dispónía de 120 bucles de control y efectuaba la medida de 256 variables. En la instalación se sustituyeron los  antiguos  reguladores  analógicos  por  el  computador  digital que realizaba sus mismas funciones.

Esto llevo a que en un mismo  computador  se  implementarán  las  dos  tareas principales supervisión y control digital directo.

La tarea del control digital directo tenía que tener prioridad sobre la supervisión. Lo cual conllevaba que se tenia que descargar parte de la memoria del ordenador para cargar el código de la otra tarea.

En pocos años el número de ordenadores dedicados a control de procesos pasa de 5000  en 1970 a 50000 en 1975.

Un computador para un solo proceso.

En la década de lo sesenta la complejidad y prestaciones de los sistemas de control se incrementan gracias al empleo de circuitos  integrados  y  en  particular  los  microprocesadores.

El desarrollo en la década de los 70 del microprocesador permite que llegue a ser rentable el dedicar un computador para el control de un solo proceso. Aplicaciones del ordenador al control de procesos que antes no eran rentables instalarlas, dado que el control analógico era mucho más barato, se vuelven competitivas. Incluso esta reducción de costes permite que se empiecen a desarrollar sistemas de control por computador encargados de controlar una sola máquina eléctrica.

Además de la razón económica, una de las razones que impedía que se implantará los controles digitales sobre máquinas eléctricas era la excesiva rapidez de los accionamientos electromecánicos, con constantes de tiempo en muchos casos bastante inferiores al segundo (comparemos con los procesos  químicos).  Esto hacia  imposible  que un  computador  calculará el algoritmo de control en el período de muestreo marcado por el diseño del controlador.

Los primeros controles digitales se implantan sobre  máquinas  de  corriente  continua, que presentan un modelo matemático muy sencillo de tratar. Los esfuerzos se vuelcan en el desarrollo de controles  digitales  sobre  motores  síncronos  y asíncronos  que permitieran obtener a los accionamientos prestaciones de precisión  y dinámica de par comparables a los  de continua, con el objeto de utilizar un motor mucho más barato (asíncrono) que no  presentará los problemas de los motores de continua.

Los primeros controles digitales consistían en la simple emulación programada de los algoritmos de control clásicos, pero la aplicación de las modernas técnicas del control ha permitido desarrollar aplicaciones de control vectorial, las cuales, en accionamientos de motores asíncronos proporcionan una calidad en la respuesta dinámica superior a los accionamientos de motores de corriente continua. En el momento actual existe toda  una amplia gama de microcontroladores especializados en el control de máquinas eléctricas.

Control en tiempo real.

Los requisitos del control de tiempo real se manifiestan en una de sus carácterísticas principales: las restricciones  temporales  a que esta sometido.  Estas  son inherentes  al funcionamiento de los sistemas de tiempo real. Para tareas periódicas de control, vienen impuestas por el período de muestreo con que se debe ejecutar el algoritmo de control. Para otro tipo de tareas periódicas como pueden ser tareas de tratamiento de  datos,  tareas  gráficas o de supervisión, tareas de comunicación los restricciones temporales no son tan estrictas y muchas  veces  el diseñador  de las aplicaciones dispone de  un  margen  donde elegir.

Bibliotecas de funciones software que dan al programador un cierto nivel de comodidad a la hora de trabajar con la interface del proceso o con el control del tiempo de ejecución. Compiladores que generen un código eficaz. Además permiten el acceso a recursos de bajo nivel evitando el uso del ensamblador.

Es un lenguaje que se muestra adecuado para el  desarrollo  de  aplicaciones  de  tamaño pequeño a medio. No es adecuado para el desarrollo de grandes aplicaciones.

El lenguaje que se ha convertido en un estándar para el desarrollo de sistemas de tiempo es el lenguaje ADA.

Sus principales carácterísticas son:

Soporta tecnologías de software avanzadas. Incluye concurrencia, tiempo real, acceso a recursos de bajo nivel y un potente tratamiento de excepciones.

Por instigación de Luis XV, intento construir un  modelo  con  corazón,  venas  y  arterias, pero murió antes de poder terminar esta tarea.

También construyo muchos objetos útiles para la industria como una silla para los tejedores, pero eso suscito el disgusto de los manufactureros de seda franceses, quienes lo amenazaron de muerte.

Estos se conservan en el museo de arte e Historia de Neuchâtel, Suiza.

Construyen un mecanismo “mágico” que responde preguntas y un pájaro que canta en una caja.

Estas máquinas constituyeron los primeros  precedentes  históricos  de  las máquinas de control numérico.

Inicialmente Halder desarrolló su  campaña  dentro  de  Ford,  pero  se  extendíó  por si  sola  al  rest o de la industria americana, establecíéndose un debate sobre su aplicación  en la industria y las consecuencias sociales que esto conllevaría.  Se vertieron opiniones,  no sin falta de razón, de que el objetivo final era sacar al ser humano fuera del proceso  productivo, prediciendo que una gran cantidad de personas se quedaría sin trabajo.

La automatización supondría “la segunda revolución industrial”.

No fue hasta la década de los  sesenta que se dispuso de herramientas como las redes de Petri, para el diseño y análisis de automatismos secuenciales y concurrentes.

Tecnologías cableadas.

Las primeras tecnologías disponibles para implementar controladores de sistemas de eventos discretos, se basaban en la aplicación de tecnologías cableadas, lo que de  denominaba automatismos cableados. Se  utilizaban  principalmente  las  tecnologías  neumática y electromecánica.

Los nuevos productos desarrollados incorporan como  sistema  de mando,  en el caso de algunas máquinas pequeñas, circuitos de relés  electromagnéticos,  pero  la mayoría esta comandada por autómatas programables.

Aunque han sido prácticamente sustituidos por autómatas programables, se siguen utilizando alrededor de ellos en particular para realizar los circuitos de seguridad.

El desarrollo de los autómatas programables.

Dentro de estos armarios se  construía  mediante  circuitos de relés electromagnéticos la inteligencia que controlaba el proceso de
Esta tecnología funcionaba y por supuesto se fabricaban coches pero también poseía una gran problemática. La tecnología cableada no era muy adecuada  para  implementar  sistemas  de control complejos. Los elementos que la forman eran electromecánicos ( en el caso de los relés), lo  cual implica un número no ilimitado de maniobras (rompen) y la necesidad de implantar logísticas de mantenimiento preventivo. Ofrecían una gran dificultad para la búsqueda de averías (un cable que no hace contacto sigue estando visualmente junto al tornillo).  Para  facilitar  la localización de averías se instalaban contactores y relés que señalizarán los fallos. A veces se debían realizar conexiones entre cientos o miles de relés, lo que  implicaba un enorme esfuerzo de diseño y mantenimiento. Cuando se cambiaba el proceso de producción cambiaba también el sistema de control.

A finales de los años cincuenta los fabricantes de automóviles necesitaban nuevas y mejores herramientas de control de la producción. La solución fue el empleo de una  técnica  de programación  familiar  y reemplazar  los relés mecánicos por relés de estado sólido.

Bedford Associates propuso un sistema de  control  denominado Controlador Digital Modular (Modicon, Modular Digital Controler) al fabricante de automóviles General Motors.

El MODICON 084 resultó ser el primer PLC del mundo  en ser producido comercialmente.

Por cada modelo de microprocesador había un modelo de PLC basado en el mismo.

El primer bus de comunicaciones fue el Modbus  de  Modicon.  El  PLC podía ahora establecer comunicación e intercambiar informaciones con otros PLC’s.

La implantación de los sistemas de comunicación permitíó aplicar herramientas de gestión de producción que se ejecutaban en miniordenadores enviando ordenes de

A su vez estos los autómatas de control envían el estado  de  la  producción  al autómata de gestión.

Hoy día el PLC más pequeño es del tamaño de un simple relé.

Análisis y formalización de los automatismos lógicos industriales.

Recordando su definición:

Los sistemas de eventos discretos son sistemas  en los que el tiempo y los estados   son continuos. El estado del sistema puede variar instantáneamente en instantes separados de tiempo. En un intervalo de tiempo finito no puede haber un número infinito de cambios de estado. Otra herramienta disponible para la descripción de  automatismos  combinatorios son los programas de decisiones  binarias  desarrollados  por  C.Y.  Lee  en  1959.

Los automatismos provistos  de una cierta capacidad de memoria, los sistemas secuenciales, se empezaron a estudiar a partir de los años 40. El primer método formal orientado a la síntesis de sistemas secuenciales se debe a Huffman. La idea básica de este método es construir  un  sistema secuencial a partir de uno combinatorio  realimentado.  Pero  se  encuentra  con  un gran escollo  tecnológico que fácilmente se comprenden al observar que los circuitos combinatorios se modelan  mediante  Álgebra  de Boole,  y esta no recoge  más que

El álgebra de Boole no puede modelar la “dinámica” de los sistemas secuenciales.

Unger  fue  el primero que  demostró la imposibilidad de la eliminación de aleatoriedades por métodos puramente lógicos.

La complejidad que van  adquiriendo  algunas aplicaciones,  sobre  todo  las  desarrolladas en la industria del automóvil hacen que los diseñadores sean incapaces de  dominar completamente el problema, por lo que en el proceso de implantación de los automatismos se invertía gran cantidad de tiempo en realizar verificaciones que permitan la detección de errores. La inaplicabilidad  del método de Huffman  hacía  que la mayor  parte  de los desarrollos industriales  se basaran  en la experiencia  e intuición  del  ingeniero, lo cual  se mostraba insuficiente para abordar los sistemas complejos y concurrentes.

El ingeniero carecía de herramientas que le  permitieran  obtener  un  modelo  del  sistema y analizar su comportamiento. Se podría  decir  que  estaban  en la misma  situación que los ingenieros de control de los años veinte antes de que Nyquist escribiera su artículo, aunque algunos opinen que el paralelismo se debe hacer con Maxwell.

La potencia de la herramienta es enorme y se aplica en el análisis y modelado
Este mismo año tuvimos el honor de asistir a la investidura del profesor Petri como Doctor Honoris Causa por la Universidad de Zaragoza.

Autómatasprogramables  con CPU´s  orientadas  al control  de procesos, tales  como los autómatas Premium PMX y los autómatas Quantum de Modicon. Computadores industriales dotados de tarjetas de adquisición de datos, con aplicaciones de control desarrolladas en lenguajes de alto nivel como el ADA. Computadoresindustriales  dotados de tarjetas de adquisición de datos, con aplicaciones dedicadas al control, configurables por el usuario, tal como Labview   de National Instruments.

En las gamas altas, con el objeto de mejorar la seguridad de funcionamiento, se pueden encontrar modelos con doble unidad central, donde la segunda unidad garantiza la continuidad del control en el caso de que falle la unidad maestra.

Los sistemas de cableado tradicionales hilo a hilo van siendo sustituidos por módulos de entrada/salida distribuidas o por buses de campo como el AS-i Interface que permiten la conexión directa de captadores y accionadores.

Lenguajes de programación de autómatas.

Marcas como Siemens lo siguen suministrando como opción principal y existe un gran número de programadores que lo utilizan e incluso lo prefieren. Sus partidarios dicen que permite un  mayor  control  de  la  máquina,  sus detractores opinan que ese mayor control se refiere al autómata, no a la máquina o proceso controlado. En definitiva, aleja al programador del problema real.

El lenguaje de contactos  se debe considerar el más universal de todos, dado que lo incorporan prácticamente todos los fabricantes de autómatas.

El Grafcet ha contado con un gran apoyo por parte del gobierno y de  los  fabricantes  franceses entre ellos Telemecánica.

El Grafcet se desarrolló en las décadas de los  setenta y ochenta siendo en esta última cuando se incorpora el concepto de macroetapa.

El objetivo  de este comité  era responder  a la complejidad creciente de los sistemas de control y a la diversidad de autómatas

De dicho comité se definíó la norma 61131 cuyos diversos apartados son: IEC 61131-1 (1992-10). Parte 1: Información general. IEC 61131-2 (1992-10). Parte 2: Especificaciones y ensayos de los equipos. IEC 61131-3 (1993-03). Parte 3: lenguajes de programación. IEC/TR3 61131-4(1995-03).

Autómatas programables. Además se están definiendo las siguientes:

IEC 61131-5 Ed. 1.0. Parte 5: Comunicaciones.

IEC 61131-6 Ed. 1.0. Parte 6: Comunicaciones vía buses de campo.

IEC 61131-7 Ed. 1.0. Parte 7: Programación del control Fuzzy.

IEC 61131-8 TRTR Ed. 1.0.

Guías para la aplicación e implementación de lenguajes para autómatas programables.

La norma define los lenguajes de programación de autómatas:

Gráfico secuencial de funciones (Grafcet). Lista de instrucciones. Texto estructurado. Diagrama de contactos. Diagrama de funciones. Este lenguaje es adecuado para pequeñas aplicaciones y para optimizar partes de una aplicación.
El  lenguaje posee soporte para bucles iterativos, ejecuciones condicionales y funciones matemáticas

El diagrama de funciones (function block diagram o FBD) es un lenguaje gráfico que permite programar elementos que aparecen como bloques para ser cableados entre  sí  de forma análoga al esquema de un circuito. FBD es adecuado para muchas aplicaciones que involucren el flujo de información o datos entre componentes de control.

El estándar también define una nueva arquitectura para la organización e interacción  de tareas en los autómatas programables.

Existen instalaciones donde un autómata, denominado de gestión, recibe las ordenes de producción las procesa y se las transmite a los autómatas de control, a la vez recoge datos de planta y convenientemente tratados se los envía al ordenador central.

Un paso más allá ha sido la incorporación de funciones orientadas a la gestión de la comunicación, al diálogo  con los módulos  de control  de ejes,  con módulos  de pesaje, función de control PID programable, y módulos de control PID configurables.

Estos Kits añaden al lenguaje  las  funciones  necesarias  para tratar con los objetos de autómata  (entrada/salida,  memoria,  sistema,  constantes…).  Hay que observar que puede ser una buena opción pero realmente no ha tenido una gran difusión, siendo en la práctica no muy utilizada.

Los objetos OLE se comunican con variables de memoria del autómata en procesos de lectura o escritura.

Microprocesadores especializados en control de máquinas eléctricas.

Los microprocesadores  son  en estos  momentos  un elemento  esencial  en el desarrollo  y mejora de los sistemas de control de las máquinas eléctricas. Están permitiendo el desplazamiento de los accionamientos de corriente continua por los de corriente alterna ofreciendo mejores prestaciones y a un precio muy similar.

Por ejemplo, en los modelos  superiores  del  autómata  Premium, integran en la CPU el maestro del bus FIPIO, y se dispone de módulos que conectados en el rack del autómata permiten la conexión a buses de otros fabricantes como  Profibus  e  Interbus.

Estas tarjetas son  suministradas  por  el  fabricante  del  bus,  pero también por desarrolladores independientes.

Por ejemplo Profibus-DP, integra los servicios clásicos de un bus de campo dedicado al nivel de datos de proceso, es decir, datos de entrada-/salida, y Profibus-FMS integra los  servicios  clásicos  de  una  red  de comunicaciones como son la comunicación  entre estaciones,  envío  de  programas, intercambio de variables..

Ethernet.

Se pretende en definitiva que Ethernet se convierta en el estándar de la comunicación industrial, incluso en el ámbito de captadores y accionadores.

Empresas como Siemens con su Industrial Ethernet, Fisher Rosemount  con su Web  Plant o Modicon con su Transparent Factory, integran Ethernet en los sistemas de Automatización industrial.  Estas  propuestas pretenden dar una total transparencia a la comunicación y permitir la disponibilidad de los datos en tiempo real en los sistemas de comunicación industrial, teniendo como herramientas el  protocolo  TCP/IP  y  la   incorporación de Internet al control industrial.

Fabricantes como Fisher-Rosemount, ABB, Foxboro y Rockwell Automation utilizan Ethernet para conectar controladores de planta y terminales de explotación en arquitectura centralizadas. En el nivel de campo, un pequeño grupo de fabricantes ha sacado al mercado tarjetas que permiten conectar los dispositivos de entrada/salida directamente a una red Ethernet o se conectan a un concentrador de entradas/salidas compatible con Ethernet.

Permitiendo  de esta forma,  que funciones  como  programación y supervisión se realicen a través de Internet.

Mediante Ethernet se pueden integrar PC´s, dispositivos de campo, controladores, periféricos, dispositivos inteligentes que coexisten en la misma red.

En muchos buses de campo,  se tienen dos niveles de bus, uno para la comunicación  entre estaciones y otro para el nivel de entrada/salida. Los  sistemas  de control podrán  incorporar  la potencia  de los dispositivos  distribuidos  inteligentes  de entrada/salida, haciendo uso de una tecnología altamente extendida y de bajo costo.

Control basado en PC.

Siemens en Europa y Allén Bradley en Norteamérica han hecho  un  buen  negocio durante muchos años gracias a esta dependencia, sin olvidar a compañías  como  Onrom, Festo, Schneider Automation, Mitsubishi.

Fue en el sector de la industria del automóvil,  uno de los sectores de mayor  demanda en sistemas de control, donde primero fue adoptado el autómata.  El  norte  de  Estados  Unidos, cuna de la industria automóvilística americana, comprobó pronto los  beneficios  de estos nuevos sistemas y también padecíó las consecuencias de la dependencia usuario- fabricante.

No es de extrañar que fuera también en esta industria y en este mismo lugar donde se comenzó a desarrollar la idea de buscar sistemas más abiertos y flexibles que liberaran al usuario del carácter propietario que los autómatas  llevan  asociado.  A finales de los ochenta el PC era un elemento pasivo de los sistemas de control, pero  ya  se  perfilaba  como  candidato a jugar un papel más importante.

Durante los últimos años de la década de los ochenta y primeros de los noventa, compañías como General Motors aprovechaban el  paro  de  producción  en  verano  para probar líneas de producción con los nuevos  controladores,  pero  no fue hasta mediados  de  los noventa cuando dos grandes consumidores de sistemas de control se deciden a  implementar la nueva tecnología en importantes líneas de fabricación. Una de ellas contaba con 800 computadores industriales.

Los sistemas de comunicación no eran muy fiables y muchas veces    se restringían a la comunicación serie  RS-232.  Por  lo  cual,  algunas  compañías  pensaron  que la plataforma PC ofrecía más posibilidades a la hora de integrar las funciones clave de