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Historia de la Ingeniería de Control

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1.- Introducción.-

En este apartado se va a realizar una descripción de la evolución histórica y situación actual de la Ingeniería
del Control tanto en sus ramas de la Regulación Automática como en la Informática Industrial, lo cual va a
influir en los programas de las asignaturas que se desarrollarán en apartados posteriores. En esta presentación
histórica se mostrarán algunos de los momentos que han tenido una significativa influencia en la evolución de
las materias relacionadas con el control.

2.- Primeros ejemplos históricos de sistemas de control.-

En la Antigua Grecia hay que destacar la presencia de tres mecánicos: Ktesibios, Philon y Herón.



Ktesibios, en el siglo III antes de Cristo diseña un reloj de
agua, conocido también como Clepsydra y también diseña
un órgano que funcionaba con agua. Las Clepsydras
consistían en un mecanismo cuyo objetivo era que el nivel
de un depósito de agua subiera con una velocidad constante.
Para lo cual se utiliza un flotador que regulaba la entrada de
agua a un depósito auxiliar de manera que el nivel de este se
mantenía constante y por lo tanto su caudal de salida al
depósito principal. 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.

La idea de que un reloj de agua pudiera realizar una
función automática se le ocurre al gran filósofo Platón.

Figura 1. Reloj de Agua de
Ktesibios, reconstruido por H. Diels.

Los alumnos de la academia fundada por Platón en el 378 A.C. tenían ciertas dificultades para levantarse por
la mañana, lo cual era fuente de discusiones todos los días. Por lo cual Platón diseña un sistema de alarma
basándose en una Clepsydra. En el vaso de la Clepsydra se ubicó un flotador encima del cual se depositan
unas bolas. Durante la noche se llenaba el vaso y al amanecer alcanzaba su máximo nivel y las bolas caían
sobre un plato de cobre. 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.

Las Clepsydras de Platón suscitó un gran interés en la época y en el siglo siguiente se efectuaron gran
cantidad de diseños de relojes de agua con dispositivos de señalización auditiva.

Philon de Bizancio, construyo un sistema de regulación de nivel de una lámpara de aceite. Al quemarse el
aceite de la lámpara, 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.







Figura 2. Clepsydra alarma de Platón.



Figura 3. Reloj de Agua.

En la Figura 4 se observa el ingenio de Philon. Cuando se consume el
aceite del depósito de la base de la lampara a través de b entra aire en el
depósito el cual evacua aceite a través de d. En el instante en que el
depósito se llene dejará de entrar aire en a y dejará de salir aceite por d.
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 siglo I antes de Cristo, Herón de Alejandría escribe una
Enciclopedia Técnica entre cuyos libros se encuentra "Pneumática" y
"Autómata". En el primero describe varios sistemas realimentados y en
el segundo presenta complicados aparatos que ejecutan un programa fijo.

Figura 4. Lámpara de Philon

Unos de los primeros sistemas realimentados de la historia son los dispensadores de vino cuyo
funcionamiento se describe en los libros de Herón. El que se observa en la Figura 5 se basaba en el principio
de los vasos comunicantes, y conseguía que el volumen de vino suministrado fuera constante. La válvula f
permanecía abierta hasta que el elemento sensor (el flotador) la cerraba por el efecto de los vasos
comunicantes. Solo que subir o bajar el nivel del flotador para decidir el nivel del depósito a.



Figura 5. Dispensador automático de vino.

Figura 6. Dispensador automático de vino.

El sistema de la Figura 6 también fue diseñado por Herón. El vino era servido desde un recipiente a que se
comunicaba con otro recipiente c por medio de un vaso comunicante. De forma que cuando se cogía vino de a
el nivel de c bajaba y el flotador d abría la válvula. Entonces el vino caía dentro de c procedente de un gran
depósito e hasta que la altura de a y c hacía que el flotador volviera a tapar la válvula.

Heron también construye un Odómetro, un instrumento dedicado a medir la distancia recorrida por un
vehículo. El sistema utilizado era muy ingenioso y consistía en una transmisión que cada vez que daba una
vuelta la rueda final caía una bola en un contenedor. Solo había que contar el número de bolas para conocer la
distancia recorrida.

En la Edad Media se desarrollan importantes mejoras técnicas
pero en el campo de los ingenios dotados con realimentación
existen pocos desarrollos, solamente cabría resaltar la realización
de un sistema de control de un molino de harina realizado por
H.U. Lansperg hacia el 1200, de forma que la cantidad de grano
suministrada al molino dependía de la fuerza del viento y la
dureza del propio grano, permitiendo que el sistema funcionará
en condiciones óptimas, no se pretendía moler a velocidad
constante.



Figura 7. Odómetro de Herón

Este distribuidor de grano es considerado como uno de los reguladores de la historia. Su funcionamiento
era muy sencillo e ingenioso. El grano llegaba a la rueda de molienda a través de un alimentador con una
pendiente muy pequeña, de forma que el grano no se movía si el alimentador estaba en reposo.

El eje de la rueda moledora tenia una serie de aristas que golpeaban el alimentador. A cada golpe caía una
pequeña cantidad de grano de forma que cuanto mayor fuera la velocidad del viento mayor era la cantidad de
grano. 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 Drebbel. 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.

En el año 1745, E. 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. Se trataba del
primer servomecanismo de posición. Fue patentado bajo el nombre de "Self-regulating Wind Machine". 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

• Un variador automático del ángulo de ataque de las aspas. Con el que se podía regular la

lo tanto no hace girar la cúpula del molino.

velocidad de giro de las aspas del molino.

Este segundo mecanismo no se llego a realizar debido a su complicación constructiva. El ingenio de Lee se
implantó rápidamente en Inglaterra y en el norte de Alemania.

Cuando el grano de trigo es molido, la calidad de la harina producida depende fuertemente de dos factores:
de la distancia entre las dos ruedas, la móvil y la fija, y de la velocidad de rotación de la primera.

En las últimas décadas del siglo XVII, se dedican muchos esfuerzos investigadores a desarrollar
dispositivos que consigan controlar estos dos factores. En 1787, Thomas Mead patenta un diseño que
combinaba la solución de los dos problemas. El invento [Mead 1787] disponía de un regulador que aseguraba

que la presión ejercida entre las piedras del molino fuera proporcional a la velocidad de rotación. Este se
combinaba con otro ingenio que variaba el ángulo de ataque de las aspas del molino, de forma que se
controlaba la velocidad del molino.

Este ingenio resulta particularmente interesante dado que Mead utiliza como sensor de velocidad un
péndulo rotativo precursor de los reguladores centrífugos.



Figura 8. Sistema de orientación
de las aspas de los molinos

Figura 9. Regulador de Mead
para Molinos de Viento

Figura 10. Molino de viento del
siglo XIX totalmente Automatizado.


3.- La Revolución Industrial.-



Los primeros antecedentes históricos de la máquina de vapor se
remontan a la antigua Grecia. En el siglo II antes de Cristo Heron de
Alejandría construyo la primera turbina de vapor conocida, la
conocida como Aelópila de Heron.

Éste y otros inventos, como la bomba de aire de Ktesibio, solo
conocieron aplicaciones lúdicas. En el renacimiento se encontraron
nuevas aplicaciones técnicas del vapor. Hacia 1660 el Marqués de
Worcester diseñó un "motor conducido por agua", la semilla de la
máquina de vapor. Tiempo después, el francés Denis Papin 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.