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Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería

Escuela de Ingeniería Eléctrica Departamento de Automática

IE – 431 Teoría de Control Automático

Monografía

HISTORIA DEL CONTROL AUTOMATICO

HASTA EL AÑO 1950

GRUPO: 1

INTEGRANTES: Bolivar Rojas F. 943080

Rafael Velásquez R. 924074

Braulio Lizano A. 971882

PERIODO: Verano de 2002

IE-431 Historia del Control Automático hasta el año 1950

Grupo 1 Verano de 2002

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TABLA DE CONTENIDO

1.0 INTRODUCCIÓN--------------------------------------------------------------------- 3

2.0 DESARROLLO TEÓRICO --------------------------------------------------------- 4

2.1 UNA HISTORIA BREVE DE CONTROL AUTOMÁTICO ---------------------------------- 4 2.1.1 Los relojes de agua de los Griegos y árabes -------------------------------------------- 5 2.1.2 La Revolución Industrial------------------------------------------------------------------- 5 2.1.3 El Millwrights ------------------------------------------------------------------------------- 6 2.1.4 Reguladores de temperaturas-------------------------------------------------------------- 6 2.1.4 Reguladores de Flotador ------------------------------------------------------------------- 7 2.1.5 Reguladores de Presión -------------------------------------------------------------------- 7 2.1.6 Gobernadores centrífugos------------------------------------------------------------------ 7 2.1.7 El Pendule Sympathique ------------------------------------------------------------------- 8 2.1.8 El Nacimiento de Teoría de Control Matemática -------------------------------------- 8 2.1.9 Ecuaciones Diferenciales ------------------------------------------------------------------ 9 2.1.10 Teoría de Estabilidad ----------------------------------------------------------------------- 9 2.1.11 Teoría de Sistema -------------------------------------------------------------------------- 10 2.1.12 Comunicación De masas y el Sistema de Teléfono de Campana ------------------- 10 2.1.13 Análisis de Dominio frecuencia---------------------------------------------------------- 10 2.1.14 Laboratorio de radiación M.I.T. --------------------------------------------------------- 11 2.1.15 Análisis Estocástico ----------------------------------------------------------------------- 11

2.2. LAS GUERRAS MUNDIALES Y EL CONTROL CLASICO--------------------------- 11 2.2.1 Control de Barco --------------------------------------------------------------------------- 12 2.2.2 Control de aviones. ------------------------------------------------------------------------ 13 2.2.2 Desarrollo de Armas y Arma de Señalar ----------------------------------------------- 14

2.3 CONTROL AUTOMATICO EN LA UNION SOVIETICA DURANTE LA SEGUNDA GUERRA MUNDIAL.-------------------------------------------------------------------- 14

2.3.1 Aleksandr Andronov---------------------------------------------------------------------------- 14 2.3.2 El surgimiento de la disciplina de control automatico en la Unión Sovietica ---------- 15

2.4.0 CONTROL AUTOMATICO EN ESTADOS UNIDOS DURANTE LA SEGUNDA GUERRA MUNDIAL. ----------------------------------------------------------------------------------- 15

2.4.1 Laboratorios Bell--------------------------------------------------------------------------- 16 3.0 CONCLUSIONES--------------------------------------------------------------------18

4.0 BIBLIOGRAFIA ---------------------------------------------------------------------19



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RESUMEN

En este trabajo se realiza una recopilación histórica de los avances más significativos del control automático hasta antes de 1950. Se determinó este año por la razón de que en esta época se da un cambio importante en la Teoría del Control debido principalmente a los avances realizados durante la segunda Guerra Mundial.

Debido a la importancia de esta época histórica en el desarrollo del Control Automático se incorpora también el adelanto de este desarrollo específicamente en los Estados Unidos y la Unión Soviética.



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1.0 INTRODUCCIÓN

El control automático se ha estado desarrollando desde el inicio de nuestra historia. En sus inicios únicamente de forma empírica, es en los últimos siglos que se ha ido desarrollando una base teórica para su comprensión. A través de las distintas épocas, la humanidad ha tenido que ir resolviendo los problemas que se le van presentando, muchos de ellos se solucionaron únicamente para comodidad en nuestra vida cotidiana, en cambio muchos otros para lograr nuestra supervivencia.

Desde esta perspectiva notamos que los mayores avances en el ámbito del control automático, y en general en todas las ramas de la tecnología, se dan cuando se desarrollan las Guerras Mundiales. Ya que es en esos momentos cuando los físicos, químicos, ingenieros, etc, se ven en la necesidad de llevar la tecnología existente mas allá, esto para lograr su propia supervivencia.

Sin embargo no es un trabajo aislado de un grupo de ingenieros lo que nos ha llevado a los niveles de tecnología que hoy disfrutamos, sino por el contrario un trabajo conjunto de equipos de diferentes áreas geográficas, cada uno trabajando en lo propio y que la final, al hacer una recopilación de información y de experiencias es cuando se logran dar grandes saltos en los avances.



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2.0 DESARROLLO TEÓRICO

2.1 UNA HISTORIA BREVE DE CONTROL AUTOMÁTICO

Hubo muchos acontecimientos en la teoría de control automático durante años recientes. Es difícil de suministrar un análisis imparcial de un área mientras esto todavía se desarrolla; sin embargo, mirando hacia atrás sobre el progreso de la teoría del control realimentado es por ahora posible distinguir algunas tendencias principales e indicar algunos avances claves.

El control realimentado es una disciplina de la ingeniería. Como tal, su progreso está estrechamente atado a los problemas prácticos que tuvieron que ser solucionados durante cualquier fase de historia humana. Los acontecimientos claves en la historia de la humanidad que afectaron el progreso del control realimentado eran:

1. La preocupación de los Griegos y árabes con cuidado de calcular de una manera exacta el tiempo. Esto representa un período aproximadamente localizado entre los años 300 AC al 1200 DC.

2. La Revolución Industrial en Europa. El comienzo de la Revolución Industrial generalmente es ubicado en la tercera parte del siglo dieciocho; sin embargo, sus raíces pueden ser remontadas atrás en los años 1600.

3. El principio de la comunicación de masas y la Primera y Segunda guerras mundiales. Esto representa un período de mas o menos de 1910 hasta 1945.

4. El principio de la era espacial y de la informática en 1957.

Uno puede considerar que estos progresos se introducen paulatinamente en el desarrollo del hombre, donde el primero se vio afectado por el entendimiento de su lugar en el espacio y el tiempo, luego con la domesticación de su ambiente y fabricación de una existencia más cómoda, después con el establecimiento de su lugar en una comunidad global, y finalmente con su lugar en el cosmos.

En un punto entre la Revolución Industrial y las guerras mundiales, había un desarrollo sumamente importante. A saber, la teoría de control comenzó a adquirir su lengua escrita - la lengua de las matemáticas. J.C. Maxwell proporcionó el primer análisis riguroso matemático de un sistema de control realimentado en 1868. Así, en relación con esta lengua escrita, nosotros podríamos llamar el período antes de 1868 la prehistoria del control automático.

Después de Friedland [1986], podemos llamar el período desde 1868 al inicio de los años de 1900 el período primitivo del control automático. Es estándar llamar el período de entonces hasta 1960 el período clásico, y el período desde 1960 al presente el período moderno.



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2.1.1 Los relojes de agua de los Griegos y árabes

La motivación principal para el control realimentado en la antigüedad era la necesidad de la determinación exacta del tiempo. Así, aproximadamente en el 270, el Griego Ktesibios inventó un regulador de flotador para un reloj de agua. La función de este regulador era mantener el nivel de las aguas en un tanque a una profundidad constante. Esta profundidad constante producía un flujo constante de agua por un tubo en el fondo del tanque que llenó un segundo tanque en una tarifa constante. Según el nivel del agua en el segundo tanque así era el tiempo transcurrido.

El regulador de Ktesibios usó un flotador para controlar la entrada del agua por una válvula; cuando el nivel del agua disminuye la válvula se abre y rellena el depósito.

Un regulador de flotador fue usado por Philon de Bizancio en el 250 para mantener un nivel constante del aceite en una lámpara.

Durante el primer siglo después de Cristo, Herón de Alexandría desarrollaró reguladores de flotador para relojes de agua. Los Griegos usaron el regulador de flotador y dispositivos similares para objetivos como la distribución automática de vino, el diseño de sifones para mantener diferencias de nivel de las aguas constantes entre dos tanques, la apertura de puertas de templo, etcétera. Podrían llamar estos dispositivos "artefactos" ya que ellos estaban entre los ejemplos más tempranos de una idea de buscar un uso.

Del año 800 al 1200 varios ingenieros árabes como los tres hermanos Musa, Al--Jazari _, y ,En al-Sa_'a_ti_ usaron los reguladores de flotador para cronometrar el agua y otros usos. Durante este período el importante principio de la realimentación de "on / off " en el control fue usado, el cual se asimilaba otra vez con los problemas de tiempo mínimo en los años 1950.

Cuando Bagdad cayó bajo el poder de los Mongoles en 1258 todo pensamiento creativo a lo largo de estas líneas vino a un final. Además, la invención de los relojes mecánicos en el siglo decimocuarto hicieron anticuado el reloj de agua y su sistema de control realimentado. (El reloj mecánico no es un sistema de control realimentado.) El regulador de flotador no aparece otra vez hasta su empleo en la Revolución Industrial.

Junto con una preocupación por su lugar en el tiempo, el hombre temprano tenía una preocupación por su lugar en el espacio. Vale el mencionar que un sistema de control pseudo-realimentado fue desarrollado en China en el siglo 12mo para los propósitos navegacionales. El carro que señala al sur tenía una estatua que fue girada por un mecanismo del engranaje asociado a las ruedas del chariot de modo que señalara continuamente al sur. Usando esta información direccional proporcionada por la estatua, el charioteer podría dirigir un curso recto.. Llamamos esto un sistema de control "de pseudo-realimentado" ya que esto técnicamente no implica la realimentación a no ser que las acciones del charioteer sean consideradas como la parte del sistema. Así, esto no es un sistema de control automático.

2.1.2 La Revolución Industrial

La Revolución Industrial en Europa logró la introducción de motores principales, o máquinas auto-conducidas. Esto fue marcado según la invención de molinos de grano avanzados, hornos, calderas, y el motor de vapor. . Estos dispositivos no se podían regular adecuadamente a



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mano, y entonces surgió una exigencia nueva para sistemas de control automáticos. Una variedad de dispositivos de control fue inventada, incluyendo reguladores de flotador, reguladores de temperaturas, reguladores de presión, y dispositivos de control de velocidad.

J. :DWW�inventó su motor de vapor en 1769, y esta fecha marcó el principio aceptado de la Revolución Industrial. Sin embargo, las raíces de la Revolución Industrial pueden ser remontadas atrás a los años 1600 o antes con el desarrollo de molinos de grano y el horno.

Habría que reconocer que otros, principalmente T. Newcomen en 1712, construyó los primeros motores de vapor. Sin embargo, los motores iniciales de vapor eran ineficaces y regulados a mano, haciéndolos menos eficaces en la industria. Es sumamente importante comprender que la Revolución Industrial no comenzó hasta la invención de motores mejorados y sistemas de control automáticos regulados.

2.1.3 El Millwrights

El Millwrights de Gran Bretaña desarrolló una variedad de dispositivos de control realimentado. El fantail, inventado en 1745 por el herrero británico E. Lee , consistió en un pequeño abanico montado perpendicularmente a la rueda principal de un molino de viento. Su función debía señalar continuamente la dirección del viento.

La tolva del molino era un dispositivo que reguló el flujo de grano en un molino según la velocidad de rotación de la piedra de molino. Empleada en una forma bastante refinada hacia 1588.

Para construir un regulador de realimentación, es importante tener aparatos de medición adecuados. El Millwrights desarrolló varios dispositivos para medir la velocidad de rotación. Usando estos sensores, varios dispositivos de regulación de velocidad fueron inventados, incluyendo velas de molino de viento autorreguladoras. La mayor parte de la tecnología del Millwrights fue posteriormente desarrollada para la regulación del motor de vapor.

2.1.4 Reguladores de temperaturas

Cornelis Drebbel de Holanda pasó algún tiempo en Inglaterra, un período breve con el Emperador Santo romano Rudolf II en Praga, juntos con su contemporáneo J.Kepler. Alrededor 1624 él desarrolló un sistema de control automático de temperaturas para un horno, motivado por su creencia basada en que los metales podrían ser transformados al oro sosteniéndolos a una temperatura exacta constante durante los períodos largos de tiempo. Él también usó este regulador de temperaturas en una incubadora para incubar pollos.

Reguladores de temperaturas fueron estudiados por J.J. Becher en 1680, y usados otra vez en una incubadora por el Príncipe de Conti y R.-A.F. de Réaumur en 1754. " El registro de centinela " fue desarrollado en América por W. Henry alrededor de 1771, quien sugirió su empleo en hornos químicos, en la fabricación de acero y porcelana, y en el control de temperaturas de un hospital. No era hasta 1777, que un regulador conveniente de temperatura para el uso industrial fue desarrollado por Bonnemain, que lo utilizó para una incubadora. Su dispositivo fue instalado más adelante en el horno de una planta de calefacción de agua caliente.



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2.1.4 Reguladores de Flotador

La regulación del nivel de un líquido fue necesaria en dos áreas principales en los últimos años de 1700: en la caldera de un motor de vapor y en sistemas de distribución domésticos de agua. Por lo tanto, el regulador de flotador recibió un nuevo interés, sobre todo en Gran Bretaña.

En su libro de 1746, W. Salmon citó precios para reguladores de flotador usados para mantener el nivel de depósitos de agua en casas. Este regulador fue usado en las primeras patentes para el rubor toilet alrededor de 1775. El rubor toilet que más lejos llegó fue refinado por Thomas Crapper, un fontanero de Londres, quien fue armado caballero por la Reina Victoria por sus invenciones.

El empleo más temprano de un regulador de válvula de flotador conocido fue en una caldera de vapor descrito en una patente publicada a J. Brindley en 1758. Él usó el regulador en un motor de vapor para el agua de bombeo. S.T. Wood usó un regulador de flotador para un motor de vapor en su cervecería en 1784. En Siberia Rusia, el minero de carbón I.I. Polzunov desarrolló en 1765 un regulador de flotador para un motor de vapor que condujo a admiradores para altos hornos.

Hacia 1791, cuando esto fue adoptado por la firma de Boulton y Watt, el regulador de flotador estaba en el empleo común en motores de vapor.

2.1.5 Reguladores de Presión

Otro problema asociado con el motor de vapor es la regulación de presión de vapor en la caldera, para el vapor que se conduce, el motor debería estar a una presión constante. En 1681 D. Papin inventó una válvula de seguridad para una cocina de presión, y en 1707 él la usó como un dispositivo de regulación sobre su motor de vapor. A partir de entonces, esto era un rasgo estándar sobre motores de vapor.

El regulador de presión más lejos fue refinado en 1799 por la R. Delap y también por M. Murray. En 1803 un regulador de presión fue combinado con un regulador de flotador por Oulton y Watt para el empleo en sus motores de vapor.

2.1.6 Gobernadores centrífugos

Los primeros motores de vapor proporcionaron un movimiento intermitente en la salida que fue regulado usando un dispositivo conocido como catarata, similar a una válvula de flotador. La catarata se originó en los motores de bombeo de las minas de carbón de Cornwall.

El motor de vapor de J. Watt producía un movimiento de salida rotatorio, el cual había alcanzado la madurez hacia 1783, cuando el primero fue vendido. El incentivo principal para su desarrollo era claramente la esperanza de introducir a un motor principal laminado. Usando el motor de salida rotatorio, el molino de vapor de Albión comenzó la operación temprana en 1786.

Un problema asociado con el motor rotatorio de vapor es la regulación de su velocidad de revolución. Una parte de la tecnología de regulación de velocidad del Millwrights fue desarrollada y ampliada por esta razón.



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En 1788 Watt completó el diseño del gobernador centrífugo flyball para regular la velocidad del motor rotatorio de vapor. Este dispositivo empleó dos giros flyballs que fue arrojado al extremo por la fuerza centrífuga. Como la velocidad de rotación aumentó, los pesos mosca balanceados más lejos de y encima de, manejando un flujo de vapor que estrangula la válvula lo cual hizo más lento el motor. Así, una velocidad constante fue alcanzada automáticamente.

Los dispositivos de realimentación mencionados antes jugaron un papel discreto como una parte de la maquinaria controlada. Por otra parte, la operación del gobernador flyball era claramente visible hasta al ojo inexperto, y su principio tenía un sabor exótico que pareció a muchos incorporar la naturaleza de la nueva era industrial. Por lo tanto, el gobernador alcanzó el conocimiento del mundo de la ingeniería y se fue una sensación en todas partes de Europa. Esto fue el primer empleo del control realimentado del que había conciencia popular.

2.1.7 El Pendule Sympathique

Comenzamos nuestra historia del control automático con los relojes de agua de la antigua Grecia, redondeamos esta parte de la historia volviendo a la preocupación de la humanidad por el tiempo.

El reloj mecánico inventado en el siglo XIV no es un sistema de control realimentado de lazo cerrado, sino un dispositivo oscilatorio de lazo abierto, cuya precisión y exactitud es asegurada por la protección contra disturbios externos. En 1793 el Francés-Suizo A.-l. Breguet, el primer relojero de su día, inventó un sistema a circuito cerrado de realialimentación para sincronizar los relojes de bolsillo.

El ¨ pendule sympathique ¨ de Breguet fue un caso especial de regulación de velocidad. Esto consistió en un cronómetro de precisión grande, exacto a un montaje para un reloj de bolsillo. El reloj de bolsillo para ser sincronizado es colocado en el montaje ligeramente antes de las 12, en este momento un alfiler surge del cronómetro, inserto en el reloj, y comienza un proceso automático de ajustar el brazo de regulación del resorte de balance del reloj. Después de unas colocaciones del reloj en el pendule sympathique, el brazo de regulación es ajustado automáticamente. En cierto modo, este dispositivo fue usado a transmitir la exactitud del cronómetro grande al pequeño reloj portátil de bolsillo.

2.1.8 El Nacimiento de Teoría de Control Matemática

El diseño de sistemas de control realimentado después de la Revolución Industrial estaba desarrollándose por ensayo y error junto con mucha intuición de la ingeniería. Así, esto era más un arte que una ciencia. En las matemáticas de mediados del siglo XIX, primero fue usado el análisis de la estabilidad de sistemas de control realimentado. Ya que las matemáticas son la lengua formal de teoría de control automático, se podría llamar el período antes de este tiempo la prehistoria de teoría de control.



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2.1.9 Ecuaciones Diferenciales

En 1840, el Astrónomo británico Real en Greenwich, G.B.Airy, desarrolló un dispositivo de realimentación para orientar un telescopio. Su dispositivo era un sistema de control de velocidad que giraba el telescopio automáticamente para compensar la rotación de la tierra, permitiéndose la capacidad de estudiar una estrella dada durante un tiempo ampliado.

Lamentablemente, Airy descubrió que según el diseño impropio del lazo de control realimentado, oscilaciones salvajes fueron introducidas en el sistema. Él era el primero en hablar de la inestabilidad de sistemas de lazo cerrado, y el primero en usar ecuaciones diferenciales en su análisis . La teoría de ecuaciones diferenciales ya estaba bien desarrollada, debido al descubrimiento del cálculo infinitesimal por I. Newton (1642-1727) y G.W. Leibniz (1646-1716), y el trabajo de los hermanos Bernoulli (los últimos años 1600 y a principios de los años 1700), J.F. Riccati (1676-1754), y otros. El empleo de ecuaciones diferenciales en el análisis del movimiento de sistemas dinámicos fue establecido por J.L. Lagrange (1736-1813) y W.R. Hamilton (1805-1865).

2.1.10 Teoría de Estabilidad

Los primeros trabajos en el análisis matemático de sistemas de control era en términos de ecuaciones diferenciales. J.C. Maxwell analizó la estabilidad del gobernador de bolas giratorias de Watt [Maxwell 1868]. Su técnica era linealizar las ecuaciones diferenciales de movimiento para encontrar la ecuación característica del sistema. Él estudió el efecto de los parámetros del sistema sobre la estabilidad y demostró que el sistema es estable si las raíces de la ecuación característica tienen partes negativas verdaderas. Con el trabajo de Maxwell podemos decir que la teoría de sistemas de control firmemente fue establecida.

E.J. Routh proporcionó una técnica numérica para determinar cuando una ecuación característica tiene raíces estables [Routh 1877].

El ruso I.I. Vishnegradsky [1877] analizó la estabilidad de reguladores que usan ecuaciones diferenciales por separado de Maxwell. En 1893, A.B. Stodola estudió la regulación de una turbina de agua que usa las técnicas de Vishnegradsky. Él modeló la dinámica del actuador e incluyó en su análisis la tardanza del mecanismo de actuación. Él fue el primero en mencionar la constante de tiempo del sistema. Inconsciente del trabajo de Maxwell y Routh, él planteó el problema de determinar la estabilidad de la ecuación característica. Hurwitz [1895], quien lo solucionó por separado.

El trabajo de A.M Lyapunov se centró en el estudio de la estabilidad de ecuaciones no lineales diferenciales que usan una noción generalizada de energía en 1892 [Lyapunov 1893]. Lamentablemente, aunque su trabajo fuera aplicado y continuado en Rusia, el tiempo no era maduro en el occidente para su teoría elegante, y esto permaneció desconocido allí hasta aproximadamente 1960, cuando su importancia finalmente fue comprendida.

El ingeniero británico O. Heaviside inventó el cálculo operacional en 1892-1898. Él estudió el comportamiento transitorio de sistemas, introduciendo un equivalente con el de la función de transferencia.



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2.1.11 Teoría de Sistema

Es dentro del estudio de sistemas que la teoría de control realimentado tiene su lugar en la organización del conocimiento humano. Así, el concepto de un sistema como una entidad dinámica con " entradas" y " salidas" definidas que lo unen a otros sistemas y al ambiente era un requisito clave previo para el desarrollo de teoría de control automático. La historia de la teoría de sistema, requiere un estudio detallado.

Durante el siglo XVIII y XIX, el trabajo de A. Smith en economía [la Riqueza de Naciones, 1776], los descubrimientos de C.R. Darwin [Sobre el Origen de Especie Mediante la Selección Natural 1859], y otros acontecimientos en la política, la sociología, y afines tenían un gran impacto sobre el conocimiento humano. El estudio de Filosofía Natural era una consecuencia del trabajo de los filósofos griegos y árabes, y las contribuciones fueron hechas por Nicholas de Cusa (1463), Leibniz, y otros. Los acontecimientos del siglo XIX, condimentado por la Revolución Industrial y un sentido que se amplía de conciencia en la geopolítica global y en la astronomía tenían una influencia profunda sobre esta Filosofía Natural, causando cambiar su personalidad.

Al inicio de los años 1900 A.N. Whitehead [1925], con su filosofía " del mecanismo orgánico ", L. von Bertalanffy [1938], con sus principios jerárquicos de organización, y otros, había comenzado a hablar " de una teoría de sistema general ". En este contexto, la evolución de la teoría de control podría proceder.

2.1.12 Comunicación De masas y el Sistema de Teléfono de Campana

A inicios del siglo XX hubó dos acontecimientos importantes del punto de vista de teoría de control: el desarrollo de las comunicaciones telefónicas y de masas, y las guerras mundiales.

2.1.13 Análisis de Dominio frecuencia

El análisis matemático de sistemas de control, antes había sido realizado usando ecuaciones diferenciales en el dominio del tiempo. En Laboratorios BELL durante los años 1920 y los años 1930, los accesos de dominio de frecuencia desarrollados por P.-S. De Laplace (1749-1827), J. Fourier (1768-1830), A.L. Cauchy (1789-1857), y otros fueron explorados y usados en sistemas de comunicación.

Un problema principal con el desarrollo de un sistema de comunicación de masas que se extiende sobre distancias largas es la necesidad de vez en cuando de amplificar la señal de voz en líneas telefónicas largas. Lamentablemente, a no ser que el cuidado sea ejercido, no sólo la información sino también el ruido es amplificado. Así, el diseño de amplificadores repetidores tiene suma importancia.

Para reducir la distorsión en amplificadores repetidores, H.S. Negro demostró la utilidad de realimentación negativa en 1927 [1934 Negro]. El problema del diseño debía presentar un cambio de fase en las frecuencias correctas en el sistema. La teoría de realimentación para el diseño de amplificadores estables fue desarrollada por la H. Nyquist [1932]. Él formuló su criterio de estabilidad basado en la gráfica polar de una función compleja. H.W. Bode en 1938



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usó la magnitud y respuesta de frecuencia de fase de una función compleja [Bode 1940]. Él investigó la estabilidad de lazo cerrado que usa las nociones del margen de fase y de ganancia.

2.1.14 Laboratorio de radiación M.I.T.

Para estudiar el control y problemas de informática asociados con el radar recién inventado, se estableció el Laboratorio de radiación en el Instituto Tecnológico de Massachusetts en 1940. La mayor parte del trabajo en la teoría de control durante los años 1940 salió de este laboratorio.

Mientras Sperry trabajaba en M.I.T. en 1941, A.C. Hall reconoció los efectos deletéreos de no hacer caso al ruido en el diseño de sistema de control. Él comprendió que la tecnología en el dominio de la frecuencia desarrollada en Laboratorios BELL podría ser empleada para enfrentar efectos ruidosos, y usó este acercamiento al diseñar un sistema de control para un radar aerotransportado. Este éxito demostrado concluye la importancia de técnicas de dominio frecuencia en el diseño de sistemas de control.

Usando accesos de diseño basados en la función de transferencia, el diagrama de bloques, y métodos de dominio frecuencia, había gran éxito en el diseño de mandos en el Laboratorio de radiación. En 1947, N.B. Nichols desarrolló su Carta de Nichols para el diseño de sistemas de realimentación. Con el trabajo del M.I.T., la teoría de servomecanismos lineales firmemente fue establecida.

Trabajando en Aviación Americana del Norte, W.R. Evans [1948] presentó su técnica del lugar de las raices, que proporcionó un modo directo de determinar las posiciones de los polos de lazo cerrado en el plano “s”. Posteriormente, durante los años 1950, muchos trabajos de control fueron enfocados al plano “s”, y en la obtención de la respuesta al escalón de lazo cerrado con características deseables en los términos del tiempo de subida, el sobre paso porcentual, etcétera.

2.1.15 Análisis Estocástico

Durante este período también, técnicas estocásticas fueron introducidas en las teorías de comunicación y el control. En M.I.T en 1942, N. Wiener [1949] analizó sistemas de información usando los modelos de procesos estocásticos. Trabajando en el dominio de la frecuencia, él desarrolló un filtro estadísticamente óptimo para señales continuas estacionarias que mejoraron la proporción de señal-a-ruido en un sistema de comunicación. El ruso A.N. Kolmogorov [1941] proporcionó una teoría de procesos estocásticos estacionarios en tiempo discreto.

2.2. LAS GUERRAS MUNDIALES Y EL CONTROL CLASICO

Como las comunicaciones de masas y las fomas de viaje mas rápidos hicierón el mundo más pequeño, había mucha tensión en como los hombres probaban su lugar en una sociedad global. El resultado eran las guerras mundiales, durante las que el desarrollo de sistemas de control realimentado se hizo un asunto de supervivencia.



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2.2.1 Control de Barco

Durante el siglo 17o en los Estados Unidos e Inglaterra los barcos aumentaron en el tamaño, la dirección asistida por otros medios de poder sería necesaria. La solución parecio estar en manejar el timon usndo el poder del vapor.

En 1873 la palabra "el servo" había sido declarada en el libro " Servo-Moteur ou Moteur Asservi " por Jean Joseph Léon Farcot, en el que él describe varios diseños de vapor que dirige el aparato desarrollado por la empresa de Farcot e Hijo. El trabajo de Joseph Farcot representa un importante aporte al desarrollo de ingeniería de control, pero no sólo por sus invenciones y diseños de importancia práctica, sino tambien por que su libro dio los principios generales de mecanismos de control de posición.

El empleo de vapor no era un medio completamente conveniente. Como era difícil de parar los armas con precisión en la posición que carga. Sin embargo, esto fue solucionado según la invención de los servomecanismos hidráulicos durante la ultima cuarta parte del siglo 19o.

El servomecanismo más avanzado desarrollado durante el último cuarto del siglo 19o eran aquellos usados en torpedos. Los servomecanismos neumáticos y mecánicos para mandos de torpedo fueron desarrollados durante los años 1860 y los años 1870. Robert Whitehead (1823-1905) mostró un torpedo conducido por el motor neumático para la Marina austriaca en 1869. El sistema de control de profundidad que él había desarrollado se mencionó como “el secreto” durante 25 años, esto debía hacer la regeneración proporcional de la profundidad y la actitud. En 1895 Ludwig Obry de la Marina austriaca inventó un giroscopio para el empleo en torpedos.

También, a la vuelta del siglo, había un interés creciente a la estabilización de barcos y la dirección automática, ambos animaron el interés al servomecanismo. En 1908 Elmer Sperry desarrollo con “el estabilizador activo “, un giroscopio para ser usado en embarcaciones.

Con el desarrollo de la direccion de motores durante el último cuarto del siglo 19o no es sorprendente que las tentativas fueron hechas para unir al motor la dirección de la brújula magnética. Las contribuciones principales al desarrollo de un sistema automatico de dirección práctico fueron hechas por la Empresa de Sperry Gyroscopic . En 1912 Elmer Sperry comenzó su trabajo en el desarrollo de su piloto automático para la dirección de barcos, lo llamaron “Miguel metálico”. Miguel metálico se comportó como un timonel experimentado.

Un problema militar importante durante este período era el control y la navegación de barcos, que se hacían más avanzados en su diseño. Entre los primeros acontecimientos estaban el diseño de sensores para el objetivo de control de lazo cerrado. En 1910, E.A. Sperry inventó el giroscopio, que él usó en la estabilización y la dirección de barcos, y más tarde en el control de avión.

N. Minorsky (1922) introdujo su regulador de tres términos para la dirección de barcos, así fue el primero en usar el controlador " derivado, proporcional e integral " (PID). Él consideró efectos no lineales en el sistema de lazo cerrado.



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2.2.2 Control de aviones.

El tema de estabilidad y el control del aeroplano apareció como una entidad reconocible en la vuelta del siglo, en gran parte debido al trabajo pionero teórico de Lancaster y Bryan.

Los pioneros de aviación, Lilenthal, Maxim, Lanchester, Pilcher, Chancute y Langley, intentaron construir un avión que tenía la estabilidad inherente. Los hermanos Wright rechazaron el dogma de estabilidad inherente. Deseaban que el piloto “volara su avión” para permitirselo él fue proveído de superficies de control poderosas. Sin embargo, para manejar estos mandos satisfactoriamente, el piloto tuvo que ser capaz de sentir el movimiento del avión; en buenas condiciones y con el contacto visual con la tierra, pero en la niebla o de noche, él carecia de la información visual necesaria . Los diseñadores vieron dos posibilidades: proveer al piloto de instrumentos para indicar el comportamiento del avión o suministrarle el control automático.

Las primeras contribuciones excepcionales vinieron entre 1912 y 1914 de Elmer Sperry (1860-1930) y su hijo Lorenzo quienes demostraron el autoestabilizador Sperry en París 1914. Antes de que los autoestabilizadores se hicieran commercialemente disponibles, la Primera Guerra Mundial comenzó. La Guerra cambió las exigencias: los vuelos eran ahora de duración corta, los aviones tuvieron que ser sumamente maniobrables y los pilotos estaban sumamente orgullosos de la habilidad de su vuelo; el piloto era parte indispensable dentro del lazo de control. El énfasis estaba sobre la provisión de una gama de instrumentos para ayudar al piloto, como indicadores de vuelta, horizontes artificiales e indicadores de resbalón, y no sobre autoestabilizadores. Había una área, sin embargo, donde los estabilizadores todavía eran requeridos, y esto era para el bombardeo. Después de 1918 el interés al avión teledirigido se desarrolló, con un interés consiguiente a pilotos automáticos. Este trabajo en gran parte fue realizado por las autoridades militares, en Gran Bretaña con el Establecimiento de la Aviación Real (RAE) y en EE. UU por el Laboratorio de investigación Naval.

Los años 1930 vieron el desarrollo de pilotos automáticos comerciales, esto es el piloto automático Sperry y el piloto automático de Siemens. Elmer Sperry contribuyo principalmente con su avión de pilotos automáticos y estabilizadores automáticos con el que logro una calidad satisfactoria en los vuelos. Él modificó la velocidad segun lo necesario. En septiembre de 1947 un C-54 pasó el Atlántico sin que el humano tocara los mandos desde el principio hasta el aterrizaje. El avión fue controlado con el piloto A-12 automático de Sperrey.

Pilotos automáticos militares también fueron desarrollados por RAE, y Siemens, Askania, Gyroscopics Sperry, General Electric y Honeywell. La base de todos los pilotos automáticos desarrollados eran de alguna forma de plataforma estabilizada y un girocompas, pero había diferencias considerables en los métodos de procesar las señales y la forma en que se manejaban varios actuadores. Los primeros sistemas británicos eran neumáticos mientras que los diseñadores americanos y alemanes usaron sistemas hidráulicos o mecánicos. Gradualmente se introducierón componentes eléctricos, pero equipos totalmente eléctricos no fueron producidos sino hasta el final de la Segunda guerra mundial.

Los ingenieros coincidieron en que el control de vuelo era una de las primeras disciplinas que reconocieron el valor de los criterios de estabilidad desarrollados por Routh. Desde



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principios del siglo 20o hasta los años 1940, ocasionalmente se emplearon desigualdades de Routh-Hurwitz en pruebas para la estabilidad, pero el empleo no se extendio sino hasta el final de la Segunda guerra mundial.

La importancia del desarrollo de autoestabilizadores y pilotos automáticos para controlar la ingeniería, está en el desarrollo de componentes y en la idea de un circuito de control que combina varias señales. Los sistemas no fueron diseñados sobre la base de ninguna teoría de control y su complejidad general, implicando una mezcla de componentes eléctricos, mecánicos y neumáticos (o hidráulico), así como no linealidades, no seguia el desarrollo de ninguna teoría. También, dificultades computacionales parecen haber prevenido el desarrollo de un interés al análisis de sistemas de control de avión.

2.2.2 Desarrollo de Armas y Arma de Señalar

Un problema principal durante el período de las guerras mundiales era el posicionamiento exacto de armas a bordo del barco móvil y el avión. Con la publicación de la " Teoría de Servomecanismos " por H.L. Házen (1934), se inicio el empleo de la teoría matemática de control. Házen acuñó los servomecanismos, que implican una relación de amo/esclavo en sistemas.

El Norden bombsight, desarrolló durante la segunda Guerra Mundial, repetidores para retransmitir información sobre altitud, velocidad y perturbaciones de viento de aviónes, asegurando el posicionamiento exacto de armas.

2.3 CONTROL AUTOMATICO EN LA UNION SOVIETICA DURANTE LA SEGUNDA GUERRA MUNDIAL.

2.3.1 Aleksandr Andronov

La ingenieria de control se vio rapidamente desarrollada en muchos paises en el período inmediatamente siguiente a la Segunda Guerra Mundial. Ingenieros y científicos relacionados con problemas de control formaron un nuevo grupo de profesionales. Cursos universitarios empezaron a ser ofrecidos y grupos de investigación para la industria y la educación se fueron creando junto con laboratorios gubernamentales.

Aleksandr Aleksandrovich Andronov (1901 – 1952) fue la figura clave en el desarrollo de la ingenieria de control en la Union Sovietica en este periodo. El fue uno de los numerosos jóvenes fisicos que empezo su carrera academica estudiando dinamica no lineal bajo la guia de L.I. Mandelstan, quien formo un grupo de estudio de las dinamicas no lineales en Rusia alrededor de los 20’s.

Uno de los primeros grandes logros fue demostrar , al final de 1920’s, la coneccion entre los ciclos limite de Poincare y el ambito completo de procesos oscilatorios practicos. Este trabajo fue el inicio de un enorme periodo muy fructífero. Andronov y sus colegas hicieron el enlace fundamental entre los puntos singulares y el equilibrio de posiciones, entre los ciclos



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limites y el movimiento estacionario y entre las autoexcitaciones y las bifuraciones. En una serie de publicaciones, Andronov y otros desarrollaron un riguroso enfoque a los sistemas no lineales, tamando como su punto de inicio el trabajo de Poincare y Lyapunov en el siglo 19, pero llegando mucho mas lejos.

2.3.2 El surgimiento de la disciplina de control automatico en la Unión Sovietica

Junto con otros paises europeos, la Unión Sovietica vio un incremento significativo en el interes de la ingenieria de control in los 1930’s. Una comison especial en automatización y controles remotos fue instaurada por la Academia Sovietica en 1934.

En junio de 1939 el Instituto de Automatización y Control Remoto fue instaurada y la primera Conferencia de la Teoría de Control Automatico fue patrocinada por este. El nuevo instituto recluto no solo ingenieros familiarizados con aspectos de la ingeniera de control sino tambien teóricos.

Al mismo tiempo que se establecio el Instituto de Automatización y Control Remoto en Moscu, Andronov y algunos de sus colegas de la Universidad de Gorki habian empezado a tomar especial interes en la teoria de control. El y otro investigador de Gorki fueron los primeros en dar una posible solucion al problema de modelar el efecto de la fricción estatica en los sistemas de control y la coneccion entre este problema no lineal y otras areas de interes para ellos.

En 1944 Andronov establecio un seminario de investigación en el instituto de Moscu. El seminario inmediatamente empezo a tomar fuerza y pronto conto con participación de 40 a 60 investigadores semanalmente, tanto desde el mismo Instituto de Automatización y Control Remoto como de otras instituciones educativas y de investigación en Moscu y además muchas otras fuera de la capital. Las discusiones abarcaban una gran variedad de temas relacionados, por ejemplo técnicas de no linealidades y metodos de respuesta en frecuencia. Andronov fue una figura carismática y un profesor inspirador, como formador de estudiantes y colegas en muchas ocasiones fue felicitado.

Andronov junto con su esposa E.A. Leontovich, publico un pequeño libro sobre Laplace en los inicios de los 1930’s. Junto con un colega de Leningrado, Voznesenskii, inicio un projecto de historia, un libro en 4 volumenes denominado “Control Clásico” , al final solo uno de esos fue

escrito y no aparecio sino hasta 1949, después de la muerte de Voznesenskii. Al aparecer la Guerra Fria y esta hacerse mas intensa y cruda, no permitio que el trabajo de Andronov se hicieron mucho mas universal y que no se difundiera en la forma adecuada.

2.4.0 CONTROL AUTOMATICO EN ESTADOS UNIDOS DURANTE LA SEGUNDA GUERRA MUNDIAL.

La Segunda Guerra Mundial tuvo un impacto dramatico en el desarrollo de la tecnología en USA, incluyendo procedimientos e instrumentos usados en la industria de control. Con el incremento en la demanda de combustible para la aviación, por ejemplo, refinerías fueron rediseñadas y expandidas para lograr una mayor productividad. En 1940 el ambito de producción era de 30 000 barriles por día, para el final de la guerra se incremento a 580 000 barriles por dia.



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Cuatro proyectos tuvieron particular importancia: el proyecto Manhatan, el cual produjo la bomba atomica, el desarrollo de la gasolina de alto octanaje para la aviación, el caucho sintetico y la penicilina.

La tecnología en la computación también se desarrollo grandemente, en 1946 la escuela Moore de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Pennsylvania desarrollo el ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Automatic Calculator). Requeria varios cuartos grandes por sus dimensiones y componentes. ENIAC fue el primer computador capaz de integrar un sistema simple de ecuaciones diferenciales ordinarias.

Antes de la guerra y durante los años que esta duro, algunos grupos externaron su deseo de formar una sociedad internacional de instrumentos y practicantes del control. Durante 1930’s muchos ingenieros iniciaron reuniones y organizaciones especialmente dedicadas a este campo. En los inicios del 1944 cerca de 15 sociedades de instrumentación regionales fueron enlazadas. En la mayoria de las ciudades atraves de todo USA grupos locales tambien se estaban formando, esto fue allanando el camino para que una sociedad nacional fuera creada. En 1945 una segunda

reunión de estos grupos adopto el nombre de ISA (Instrument Society of America). ISA fue oficialmente fundada en la tercera reunión el 28 de abril de 1945, con 15 sociedades y alrededor de 1000 miembros. Para 1949, la ISA habia crecido a casi 4000 miembros distribuidos en 50 sociedades o grupos.

El dispositivo que cambio toda la vida en la sociedad industrializada incluyendo la industria de procesos de control fue le transistor inventado en 1947 por científicos de los laboratorios BELL de AT&T. Sin duda alguna la mas importante invención de este siglo. El transistor abrio la era de la electrónica. En 1949 The National Bureau of Standard (NBS) desarrollo un manómetro diferencial para comparar presiones de gases, vapores organicos y liquidos corrosivos. El UNIVAC (Universal Automatic Computer) empezo a ser instalada comercialmente cerca de 1951. Esta era la segunda computadora disponible comercialmente, después de Mark I. Esta tenia la habilidad de procesar gran cantidad de información.

2.4.1 Laboratorios Bell

Durante la Segunda Guerra Mundial ingenieros de los Laboratorios de Telefonía Bell (BTL) aplicaron su experiencia en comunicaciones al control de maquinas. Ellos diseñarón y construyeron un direccionador de armas para emplearlo con circuitos electrónicos y servomecanismos para mejorar los calculos. Este dispositivo remplazo tempranamente los direccionamientos mecánicos y cuando lo integrarón junto con las nuevas microondas de radares mejoraron el lanzamiento de “buzz boms” en los misiles de crucero.

Para 1940 mas de una decada de desarrollo, se puede definir como un metodo anti bombas aereas. Dispositivos ópticos daban el rango y elevación del objetivo. Asi como la guerra fue avanzando, el radar tomo esas funciones. Una computadora central integraba esta información que junto con información del terreno, el viento e información balística predeterminada, la cual dependia de las particularidades del arma. El director predecia la futura localización del objetivo basado en su velocidad y dirección y calculalba el azimuth y la



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elevación para las armas. Esta información era transmitida a las armas las cuales apuntaban automáticamente con poderosos controles hidráulicos o manuales con seguidores de objetivos.

Durante estos inicios, Parkinson y Lovell, ingenieros de BTL hicieron algunos análisis preliminares. Ellos hicieron un estudio titulado “Matemáticas Electricas” , en el cual examinaban electricas o electromecánicas formas de mejorar las funciones matemáticas requeridas para el control de disparo: suma, resta, multiplicación, división, integración, diferenciación y como tabular los datos.



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3.0 CONCLUSIONES

• El control automático ha sido utilizado por muchos siglos.

• Los mayores avances se han dado en épocas de guerra.

• Muchas de las teorías de control se han desarrollado basado en prueba y error.

• La matemática ha sido una herramienta indispensable en el desarrollo del Control.

• Alrededor del año 1950 se da el cambio de la Teoría del Control Clásica a la Moderna.



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4.0 BIBLIOGRAFIA

Paginas Web:

http://www.A brief history of feedback control - Chapter 1.htm

http://www.control.lth.se/~lotta/tree.html

Revistas:

Mindell, A. "Automation’s Finest Hour: Bell Labs and Automatic Control in World War II" , IEEE Control Systems Magazine, Volume 15, Numero 6, paginas 72-78, Diciembre 1995.

Wilbanks, W. "50 Years of Progress in Measureing and Controlling Industrial Processes" IEEE Control Systems Magazine., Volume 16, Numero 1, paginas 62-66, Febrero 1996.

Bissel, Ch. "A.A. Andronov and the Development of Soviet Control Engineering" IEEE Control Systems Magazinel, Volume 18, Numero 1, paginas 56-62, Febrero 1998.

Bushnell, L. “History of Control” IEEE Control Systems Magazine. Volumen 16, Numero 3, Junio 1996.

hidtoria+del+control.pdf

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