Ingeniería de control

La ingeniería de control , también conocida como ingeniería de sistemas de control y, en algunos países europeos, ingeniería de automatización , es una disciplina de ingeniería que se ocupa de los sistemas de control , aplicando la teoría de control para diseñar equipos y sistemas con comportamientos deseados en entornos de control. ^{[ 1 ]} La disciplina de control se superpone y generalmente se enseña junto con la ingeniería eléctrica , la ingeniería química y la ingeniería mecánica en muchas instituciones alrededor del mundo. ^{[ 1 ]}

Esta práctica utiliza sensores y detectores para medir el rendimiento del proceso controlado; estas mediciones se emplean para proporcionar retroalimentación correctiva que ayuda a alcanzar el rendimiento deseado. Los sistemas diseñados para funcionar sin intervención humana se denominan sistemas de control automático (como el control de crucero para regular la velocidad de un automóvil). De naturaleza multidisciplinaria , la ingeniería de sistemas de control se centra en la implementación de sistemas de control derivados principalmente del modelado matemático de una amplia gama de sistemas . ^{[ 2 ]}

La ingeniería de control moderna es un campo de estudio relativamente nuevo que cobró gran relevancia durante el siglo XX con el avance de la tecnología. Puede definirse o clasificarse, en términos generales, como la aplicación práctica de la teoría de control . La ingeniería de control desempeña un papel esencial en una amplia gama de sistemas de control, desde lavadoras domésticas sencillas hasta aviones de combate de alto rendimiento . Su objetivo es comprender los sistemas físicos, mediante modelado matemático, en términos de entradas, salidas y diversos componentes con comportamientos diferentes; utilizar herramientas de diseño de sistemas de control para desarrollar controladores para dichos sistemas; e implementar controladores en sistemas físicos empleando la tecnología disponible. Un sistema puede ser mecánico , eléctrico , fluidodinámico , químico , financiero o biológico , y su modelado matemático, análisis y diseño de controladores utilizan la teoría de control en uno o varios dominios de tiempo , frecuencia y s complejo , según la naturaleza del problema de diseño.

La ingeniería de control es la disciplina de ingeniería que se centra en el modelado de una amplia gama de sistemas dinámicos (por ejemplo, sistemas mecánicos ) y el diseño de controladores que harán que estos sistemas se comporten de la manera deseada. ^{[ 3 ] : 6} Aunque dichos controladores no tienen por qué ser eléctricos, muchos lo son y, por lo tanto, la ingeniería de control a menudo se considera un subcampo de la ingeniería eléctrica.

Los circuitos eléctricos , los procesadores de señales digitales y los microcontroladores pueden utilizarse para implementar sistemas de control . La ingeniería de control tiene una amplia gama de aplicaciones, desde los sistemas de vuelo y propulsión de los aviones comerciales hasta el control de crucero presente en muchos automóviles modernos .

En la mayoría de los casos, los ingenieros de control utilizan la retroalimentación al diseñar sistemas de control . Esto se suele lograr mediante un controlador proporcional-integral-derivativo ( controlador PID). Por ejemplo, en un automóvil con control de crucero, la velocidad del vehículo se monitoriza continuamente y se retroalimenta al sistema, que ajusta el par motor en consecuencia. Cuando existe retroalimentación regular, la teoría de control se puede utilizar para determinar cómo responde el sistema a dicha retroalimentación. En prácticamente todos estos sistemas, la estabilidad es importante y la teoría de control puede ayudar a garantizar que se alcance.

Si bien la retroalimentación es un aspecto importante de la ingeniería de control, los ingenieros de control también pueden trabajar en el control de sistemas sin retroalimentación. Esto se conoce como control de lazo abierto . Un ejemplo clásico de control de lazo abierto es una lavadora que realiza un ciclo predeterminado sin el uso de sensores .

Los sistemas de control automático se desarrollaron por primera vez hace más de dos mil años. Se cree que el primer dispositivo de control por retroalimentación registrado es el antiguo reloj de agua de Ktesibios en Alejandría , Egipto, alrededor del siglo III a. C. Este reloj marcaba el tiempo regulando el nivel del agua en un recipiente y, por lo tanto, el flujo de agua de dicho recipiente. ^{[ 3 ] : 22} Este dispositivo fue sin duda exitoso, ya que todavía se fabricaban relojes de agua de diseño similar en Bagdad cuando los mongoles capturaron la ciudad en 1258 d. C. A lo largo de los siglos, se han utilizado diversos dispositivos automáticos para realizar tareas útiles o simplemente para entretener. Esto último incluye los autómatas, populares en Europa en los siglos XVII y XVIII, que presentaban figuras danzantes que repetían la misma tarea una y otra vez; estos autómatas son ejemplos de control de lazo abierto. Entre los hitos de los dispositivos de control automático de retroalimentación o de "bucle cerrado" se incluyen el regulador de temperatura de un horno atribuido a Drebbel , alrededor de 1620, y el regulador centrífugo de bolas utilizado para regular la velocidad de las máquinas de vapor por James Watt ^{[ 3 ] : 22} en 1788.

En su artículo de 1868, "Sobre los reguladores", James Clerk Maxwell logró explicar las inestabilidades que presentaba el regulador de bola voladora utilizando ecuaciones diferenciales para describir el sistema de control. Esto demostró la importancia y utilidad de los modelos y métodos matemáticos para comprender fenómenos complejos, y marcó el comienzo de la teoría matemática del control y de sistemas. Si bien algunos elementos de la teoría del control habían aparecido con anterioridad, no lo habían hecho de forma tan drástica y convincente como en el análisis de Maxwell. ^{[ 4 ]}

La teoría de control experimentó avances significativos durante el siglo siguiente. Las nuevas técnicas matemáticas, junto con los avances en las tecnologías electrónicas e informáticas, permitieron controlar sistemas dinámicos mucho más complejos que los que podía estabilizar el regulador de bola original. Entre las nuevas técnicas matemáticas se incluyen los desarrollos en control óptimo en las décadas de 1950 y 1960, seguidos de los progresos en métodos de control estocástico, robusto, adaptativo y no lineal en las décadas de 1970 y 1980. Las aplicaciones de la metodología de control han contribuido a hacer posibles los viajes espaciales y los satélites de comunicación, aeronaves más seguras y eficientes, motores de automóviles más limpios y procesos químicos más limpios y eficientes.

Antes de que surgiera como disciplina independiente, la ingeniería de control se practicaba como parte de la ingeniería mecánica y la teoría de control se estudiaba como parte de la ingeniería eléctrica, ya que los circuitos eléctricos a menudo se pueden describir fácilmente utilizando técnicas de teoría de control. En las primeras relaciones de control, una salida de corriente se representaba mediante una entrada de control de voltaje. Sin embargo, al no contar con la tecnología adecuada para implementar sistemas de control eléctrico, los diseñadores se vieron obligados a utilizar sistemas mecánicos menos eficientes y de respuesta lenta. Un controlador mecánico muy eficaz que todavía se utiliza ampliamente en algunas centrales hidroeléctricas es el regulador . Posteriormente, antes de la aparición de la electrónica de potencia moderna , los ingenieros mecánicos idearon sistemas de control de procesos para aplicaciones industriales utilizando dispositivos de control neumáticos e hidráulicos , muchos de los cuales todavía se utilizan hoy en día.

En muchas universidades del mundo, los cursos de ingeniería de control se imparten principalmente en ^ingeniería eléctrica e ingeniería mecánica , pero algunos cursos pueden impartirse en ingeniería mecatrónica [ ^{9 ]} e ingeniería aeroespacial . En otras, la ingeniería de control está conectada con la informática , ya que la mayoría de las técnicas de control actuales se implementan mediante ordenadores, a menudo como sistemas embebidos (como en el sector automotriz). El campo del control dentro de la ingeniería química se conoce a menudo como control de procesos . Se ocupa principalmente del control de variables en un proceso químico en una planta. Se imparte como parte del plan de estudios de pregrado de cualquier programa de ingeniería química y emplea muchos de los mismos principios que la ingeniería de control. Otras disciplinas de ingeniería también se superponen con la ingeniería de control, ya que puede aplicarse a cualquier sistema para el que se pueda derivar un modelo adecuado. Sin embargo, existen departamentos especializados en ingeniería de control; por ejemplo, en Italia hay varios másteres en Automatización y Robótica totalmente especializados en ingeniería de control, como el Departamento de Ingeniería de Sistemas y Control Automático de la Universidad de Sheffield ^{[ 10 ]} , el Departamento de Robótica e Ingeniería de Control de la Academia Naval de los Estados Unidos ^{[ 11 ]} y el Departamento de Ingeniería de Control y Automatización de la Universidad Técnica de Estambul ^{[ 12 ] .}

La ingeniería de control tiene aplicaciones diversas que abarcan la ciencia, la gestión financiera e incluso el comportamiento humano. Los estudiantes de ingeniería de control pueden comenzar con un curso de sistemas de control lineal que aborda el dominio del tiempo y el dominio complejo, el cual requiere una sólida base en matemáticas elementales y la transformada de Laplace , conocida como teoría de control clásica. En el control lineal, el estudiante realiza análisis en los dominios de la frecuencia y el tiempo. Los cursos de control digital y control no lineal requieren la transformada Z y álgebra, respectivamente, y podrían considerarse como la base de una formación en control.

La carrera de un ingeniero de control comienza con una licenciatura y puede continuar durante la etapa universitaria. Los títulos de ingeniero de control suelen combinarse con una licenciatura en ingeniería eléctrica o mecánica, pero también pueden combinarse con una licenciatura en ingeniería química. Según una encuesta de Control Engineering , la mayoría de las personas que respondieron eran ingenieros de control en diversas áreas de su carrera. ^{[ 13 ]}

No existen muchas carreras que se clasifiquen como "ingeniero de control"; la mayoría son carreras específicas que guardan cierta semejanza con la ingeniería de control en general. La mayoría de los ingenieros de control que participaron en la encuesta de 2019 son diseñadores de sistemas o productos, o incluso ingenieros de control o instrumentación. La mayoría de los puestos de trabajo están relacionados con la ingeniería de procesos, la producción o incluso el mantenimiento; son alguna variante de la ingeniería de control. ^{[ 13 ]}

Debido a esto, existen muchas oportunidades laborales en empresas aeroespaciales, manufactureras, automotrices, eléctricas, químicas, petroleras y agencias gubernamentales. Algunos lugares que contratan ingenieros de control incluyen empresas como Rockwell Automation, NASA, Ford, Phillips 66, Eastman y Goodrich. ^{[ 14 ]} Los ingenieros de control pueden ganar $66 000 anuales en Lockheed Martin Corp. También pueden ganar hasta $96 000 anuales en General Motors Corporation. ^{[ 15 ]} Los ingenieros de control de procesos, que generalmente se encuentran en refinerías y plantas de productos químicos especializados, pueden ganar más de $80 000 anuales. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

En India, la ingeniería de sistemas de control se imparte en diferentes niveles: diplomatura, licenciatura y posgrado. Estos programas requieren que el candidato haya cursado física, química y matemáticas en la educación secundaria o posea una licenciatura relevante para estudios de posgrado. ^{[ 18 ]}

Originalmente, la ingeniería de control se centraba en sistemas continuos. El desarrollo de herramientas de control por computadora planteó la necesidad de la ingeniería de sistemas de control discretos, ya que la comunicación entre el controlador digital basado en computadora y el sistema físico está regida por un reloj de computadora . ^{[ 3 ] : 23} El equivalente a la transformada de Laplace en el dominio discreto es la transformada Z. Hoy en día, muchos sistemas de control están controlados por computadora y constan de componentes tanto digitales como analógicos.

Por lo tanto, en la etapa de diseño:

• Los componentes digitales se asignan al dominio continuo y el diseño se lleva a cabo en el dominio continuo, o
• Los componentes analógicos se representan en el dominio discreto y el diseño se lleva a cabo allí.

El primero de estos dos métodos es el que se encuentra con mayor frecuencia en la práctica, ya que muchos sistemas industriales tienen muchos componentes de sistemas continuos, incluidos componentes mecánicos, fluidos, biológicos y eléctricos analógicos, con algunos controladores digitales.

De manera similar, la técnica de diseño ha evolucionado desde el diseño manual con papel y regla hasta el diseño asistido por computadora y, actualmente, al diseño automatizado por computadora (CAD), posible gracias a la computación evolutiva . El CAD se puede aplicar no solo al ajuste de un esquema de control predefinido, sino también a la optimización de la estructura del controlador, la identificación del sistema y la invención de nuevos sistemas de control, basados ​​exclusivamente en un requisito de rendimiento, independientemente de cualquier esquema de control específico. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

Los sistemas de control resilientes extienden el enfoque tradicional de abordar solo las perturbaciones planificadas a marcos y tratan de abordar múltiples tipos de perturbaciones inesperadas; en particular, adaptando y transformando los comportamientos del sistema de control en respuesta a agentes maliciosos, modos de falla anormales, acciones humanas indeseables, etc. ^{[ 21 ]}

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• Christopher Kilian (2005). Tecnología de control moderna . Thompson Delmar Learning. ISBN 978-1-4018-5806-3.
• Arnold Zankl (2006). Hitos en la automatización: Del transistor a la fábrica digital . Wiley-VCH. ISBN 978-3-89578-259-6.
• Franklin, gen F .; Powell, J. David; Emami-Naeini, Abbas (2014). Control de retroalimentación de sistemas dinámicos (7ª  ed.). Stanford Cali. Estados Unidos: Pearson. pag.  880.ISBN​ 9780133496598.

• Laboratorios de control en todo el mundo
• El libro de texto abierto de Dinámica y Control de Procesos de Ingeniería Química de Michigan
• Asociación de Integradores de Sistemas de Control
• Lista de integradores de sistemas de control
• Instituto de Ingenieros Mecánicos - Grupo de Mecatrónica, Informática y Control (MICG)
• Ciencia de Sistemas e Ingeniería de Control: Una Revista de Acceso Abierto