Un dia sin control automatico

A Day Without Automatic Control[pic 1]

A Glimpse Behind the Magic

By Panos Antsaklis

Primero, qué hace el control automático? El control de velocidad en un carro mantiene la velocidad constante aun cuando se sube una pendiente o se enfrenta un viento frontal. El control automático mantiene constante el valor de una variable (en este caso la velocidad, pero también la temperatura, la presión, distancia y así sucesivamente en otras aplicaciones) bajo una variedad de condiciones de operación, automáticamente. Sorprendentemente, en el cuerpo humano los sistemas de control son abundantes e incluyen regulación de la temperatura del cuerpo, la concentración de células blancas en la sangre, o la frecuencia de bombeo del corazón, para mencionar unos pocos.

Pero qué tan importante es el control automático? Quizás, para comprender y apreciar su importancia necesitamos imaginarnos su ausencia. Sabemos, por ejemplo, que la energía eléctrica es importante en nuestras vidas diarias, pero tendemos a olvidar tal hecho o pensar que está garantizado. Realmente apreciamos la importancia de la energía eléctrica cuando hay una interrupción del suministro, un corte de energía, aun uno muy pequeño, cuando nos percatamos lo mucho que nuestras vidas son alteradas. Tales cortes en la energía eléctrica también pueden poner vidas en un riesgo significativo, ya que los pacientes en un hospital o en casa dependen de la energía eléctrica. Es similar para la comunicación telefónica o la internet, una pérdida de servicio que altera nuestras vidas claramente muestra lo dependiente que somos de estos servicios. Para mostrar claramente lo que es el control automático y la importancia del mismo para nosotros, trataremos de imaginar lo que sería un día sin control automático, antes de entrar en los detalles de cómo trabaja el control.

Estamos vivos porque importantes cantidades en nuestros cuerpos tales como la presión de la sangre, frecuencia de latidos del corazón, concentraciones de células rojas y blancas permanecen en determinados rangos. Los marca pasos son dispositivos que corrigen las pulsaciones anormales del corazón cuando el sistema de control automático de nuestro cuerpo no está funcionando normalmente. Nos podemos imaginar que sucedería sin estos controles pensando acerca de las consecuencias de la falla del control; cuando la presión de la sangre se incrementa dramáticamente, por ejemplo, una pérdida repentina de la función cerebral puede ocurrir, mientras que cuando la presión es demasiado baja, se puede perder la conciencia.

De esta manera, si perdemos el control automático aunque sea por un breve tiempo, desafortunadamente usted, estimado lector, no estaría vivo el tiempo suficiente para disfrutar de este artículo.

Si, el control automático es importante; es un negocio serio y vital para la existencia de vida en humanos, animales, plantas. Debemos preocuparnos ya que nuestras vidas, y la vida en el planeta tierra, dependen del mismo.

Enfoquémonos ahora en aplicaciones del control en sistemas productos de la ingeniería. Si no hay control automático no hay sistemas de calefacción o aire acondicionado en la forma que estamos acostumbrados – con los cuales ciertos niveles de temperatura y humedad son mantenidos. Los refrigeradores y hornos no podrían regular sus operaciones. Cualquier dispositivo de seguridad es un dispositivo de control. La red de energía eléctrica mantiene un control muy estricto sobre la frecuencia del voltaje AC, y si falla un corte de energía ocurre. Los pilotos automáticos en los aviones son sistemas de control automático, y los helicópteros y aviones militares no serían capaces de volar del todo sin controles automáticos.

Dónde está la magia? Cómo trabaja el control automático? Este funciona utilizando retroalimentación. Información acerca de la variable de salida medida es utilizada para ajustar la variable de entrada que podemos controlar. Cuando la salida es demasiado alta, el nivel de entrada es reducido y cuando la salida es demasiado baja la entrada es incrementada. Por ejemplo, en un motor, si las rpm (revoluciones por minuto) de la salida (de la velocidad angular del eje) disminuyen debido a una carga (levantando un peso grande con una grúa o en un elevador) entonces el voltaje de entrada es incrementado automáticamente, lo cual hace que las rpm se incrementen. Para usar un ejemplo en la biología humana, si la temperatura de nuestro cuerpo se incrementa en un día muy caliente, el sudor es utilizado para enfriar el cuerpo mediante la evaporación.

Para controlar, necesitamos conocer el efecto de acciones posibles sobre el sistema o proceso que deseamos controlar. Necesitamos tener una lista de causa – efecto, de forma tal que cuando el proceso evolucione en una forma no deseada podamos intervenir y corregirlo.

En un automóvil, el sistema de control automático de la velocidad, determina la velocidad, calcula que tan diferente es de la velocidad deseada e incrementa o disminuye la cantidad de combustible ajustando el acelerador. Es exactamente igual al comportamiento del conductor, y el controlador automático imita las acciones del conductor. Se prevé que en el futuro los sensores detectarán a un transeúnte que intenta cruzar la calle y disminuirán la velocidad del carro, o detectarán que hay niños jugando con una pelota demasiado cerca de la carretera y disminuirán la velocidad del vehículo, en la misma forma que un conductor cuidadoso lo haría. Hoy, nuestros carros corren más eficientemente y con emisiones menos sucias debido a los algoritmos en el “módulo de control del motor.” Los frenos ABS no podrían existir sin control automático; lo mismo con los sistemas de control de estabilidad electrónica. Nuestros carros, hoy día, son más limpios, seguros y más eficientes debido al control automático.

El cuerpo humano ha diseñado sus mecanismos de control automático guiado por la genética a medida que los humanos evolucionaron, quizás modificando estos mecanismos en una forma más o menos de tiempo real, hasta cierto grado según se necesitaba, guiados por interacciones e influencias medioambientales. Debemos mencionar que el control mediante la retroalimentación es un mecanismo central en las primeras formas de vida que buscaban comida: los sensores detectan la posición relativa de la fuente de alimentos y los controladores ajustan el movimiento correspondientemente usando los actuadores existentes (fins, flagella, etc.) Estamos conscientes del control que usamos para agarrar un vaso de vidrio, para lo cual usamos información retroalimentada desde la vista y también del tacto para mover nuestra mano, pero es posible que no estemos conscientes o familiarizados con los mecanismos de control automático mencionados previamente – control de la temperatura del cuerpo por ejemplo – aunque son fácilmente observables. Pero aun en el caso del control del motor de la mano, típicamente no pensamos sobre el mecanismo de control hasta que el control automático falla en algunos desordenes del sistema nervioso (e.g. Parkinson o una lesión traumática del cerebro), donde la falta de control pone en evidencia su importancia frecuentemente de forma dramática.

En sistemas productos de la ingeniería (hechos por los humanos), los mecanismos de control automático son diseñados basados en modelos del comportamiento que se desea controlar. Estos modelos son típicamente modelos matemáticos que capturan el comportamiento de interés. El estudio de los modelos conduce a la identificación de las variables que necesitan ser manipuladas y por cuanto, para alcanzar las especificaciones deseadas. En el vuelo de aviones, cuando el piloto automático es activado, superficies de control particulares son utilizadas (the ailerons, the elevators, or the rudder) para ascender, descender o girar. Modelos matemáticos detallados son utilizados para decidir cuál acción debe ser realizada, y los mecanismos de decisión son implementados mediante algoritmos codificados en software que corren en un hardware digital. Estos algoritmos procesan información de los sensores tales como velocidad, dirección, altitud junto con información respecto a la altitud, velocidad o dirección deseada y genera comandos de control a motores eléctricos o actuadores hidráulicos que mueven las superficies de control en la cantidad correcta.

Las especificaciones de control pueden referirse a valores estáticos, tal como mantener la temperatura del cuarto a 68 grados o la velocidad del avión a 0.8 Mach, o pueden referirse a valores dinámicos, cambiantes con el tiempo, tal como hacer que el avión siga una trayectoria particular en el tiempo, o que la señal de un radar siga, “se enllave,” un avión que sobrevuela la zona. El diseñar controladores que hacen que sistemas complejos exhiban un comportamiento deseado puede ser muy retador. Esto es debido a los modelos matemáticos, los cuales pueden ser muy complicados (e.g. ecuaciones diferenciales parciales o no-lineales, redes de Petri, autómata) solamente describen de forma aproximada el comportamiento de interés, y además, perturbaciones externas no medibles (e.g. perturbaciones de la carga, ruido de las mediciones) puede afectar el comportamiento de forma adversa. Estas incertidumbres, siempre presentes, que pueden ser internas o externas a la planta (el sistema que se desea controlar) son las principales razones para usar la retroalimentación en los sistemas de control.

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