A. Javier Barragán Piña

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La realimentación tiene una serie de propiedades muy interesantes y útiles. Así por ejemplo permite diseñar sistemas precisos a partir de elementos imprecisos, estabilizar un sistema inestable o minimizar las perturbaciones externas sobre un sistema. A continuación se va a realizar un breve recorrido sobre ejemplos ilustrativos de a influencia de la realimentación en la consecución de hitos de control.

Primeros ejemplos tecnológicos

La proliferación de sistemas de control en la vida cotidiana ocurrió sobretodo a partir de la mitad de los años 50 del siglo pasado. No obstante, existen ejemplos aislados acontecidos mucho antes, como por ejemplo el regulador centrífugo o de bolas (inventado por el ingeniero inglés J. Watt en 1788, por lo que es también conocido como regulador de Watt), el cual (ver Figura 1.2) emplea la fuerza centrífuga originada por la velocidad de giro de las bolas del contrapeso para deslizar por un eje el mecanismo que acciona la válvula de admisión de vapor. Nótese como al estar obturado el vapor a la máquina ésta disminuirá la velocidad de rotación del eje del motor, lo cual hará que las bolas giren más despacio y tiendan a caer. Entonces, el casquillo que se desplaza por el eje será empujado hacia abajo dejando de obturar el paso de vapor a la máquina, con lo cual esta aumentará de nuevo su velocidad de giro. El regulador centrífugo es pues un controlador de la velocidad de giro de la máquina de vapor.

(a)	(b)
Figura 1.3

Otro ejemplo que, aunque más moderno que el anterior, es de finales del siglo XX, es el termostato utilizado para regular la temperatura de una vivienda, el cual fue inventado por Albert Butz en 1885 y cuya explotación comercial dio lugar a la compañía Honeywell. En la Figura 1.3 (a) puede verse un termostato de Honeywell del año 1953. En la Figura 1.3 (b) se muestra un termostato analógico de los más usuales que aún hoy pueden verse en edificios. Su funcionamiento está basado en la propiedad que presentan los metales de dilatarse al aumentar la temperatura. Se coloca un fleje con dos láminas unidas de dos metales con diferente coeficiente de dilatación (cobre e hierro por ejemplo). Cuando la temperatura aumenta, la lámina que se dilata más (en este caso la de cobre) se curva, ya que necesita más espacio, con lo cual se separan los contactos del fleje y se abre el circuito eléctrico. Esto detiene el sistema de calefacción hasta que la temperatura baje, el metal se contraiga, el fleje se estire y, como consecuencia, se cierre el circuito eléctrico que activa de nuevo la calefacción. Respecto del concepto de controlador, la lámina bimetálica actúa como tal y como sensor, ya que a partir de una temperatura de consigna fijada por el usuario mediante el mando (curvatura del fleje), el sistema la compara con la de la habitación a controlar (variable de salida); cuando hay diferencia se genera una señal de error que es realimentada para generar una señal de mando (control) que enciende o apaga la calefacción. Aunque el funcionamiento del termostato captura la esencia del control mediante realimentación, su mecanismo es demasiado simple e imperfecto (aunque útil),  ya que existen retardos entre el sensor y la planta a controlar (habitación). Los termostatos de calidad actuales se anticipan apagando o encendiendo la calefacción antes que la señal de error cambie de signo, lo cual evita saltos de temperatura grandes así como ciclos de funcionamiento elevados de la máquina. Esta interacción entre la dinámica del proceso (la velocidad de calentamiento o enfriamiento de la habitación) y la operación del controlador es un elemento clave en el diseño de los sistemas de control actuales.
Con el transcurso del siglo XX se fueron desarrollando sistemas de control cada vez más sofisticados, como por ejemplo el control de crucero o controlador de velocidad para vehículos. Éste fue inventado en 1945 por el inventor ciego e ingeniero mecánico Ralph Teetor (ver Figura 1.4). Su idea nació de la frustración de ir en el vehículo con su abogado, quien frenaba y aceleraba continuamente según hablaba. El primer vehículo con el sistema de Teetor fue el Chrysler Imperial en 1958. Este sistema calculaba la velocidad sobre la carretera basándose en las rotaciones de un palier y usaba una bobina para variar la posición del acelerador según fuera necesario. Hoy en día los automóviles son quizás los sistemas que, siendo más cercanos al gran público, están dotados de más sistemas de control (control de crucero adaptativo¹ , control de tracción² , control de estabilidad³ , control de emisión de gases, etc.).

Generación y transporte de energía eléctrica

El control es una misión crítica en los sistemas de producción y transporte de energía eléctrica, de modo que las centrales eléctricas están dotadas de multitud de lazos de control para garantizar su correcto funcionamiento. El control es fundamental también en el transporte de la electricidad, ya que ésta ha de ser llevada hasta el último rincón donde es necesaria y con la potencia adecuada, pero la energía eléctrica tiene muy difícil almacenaje, con lo cual hay que adecuar lo más posible la generación al consumo. La gestión de la energía en la red eléctrica es un problema de control sencillo de resolver cuando hay un solo generador y un consumidor (caso de una vivienda aislada que se genera su propia electricidad por paneles fotovoltaicos por ejemplo), pero es muy complejo es un sistema altamente distribuido, donde hay muchos generadores, muchos más consumidores y largas distancias entre ellos. Para añadir aún más complejidad al problema del control de la red eléctrica, hay que tener en cuenta que la demanda en un punto o varios a la vez puede cambiar de forma rápida e impredecible. En la Figura 1.5 se muestra a modo de ejemplo el sistema eléctrico (enero de 2009) en alta tensión que circunda la ciudad de Huelva. En color rojo se dibujan las líneas de 400 KV, en verde las de 220 KV, en azul las de 132/110 KV y, en negro, las de menos de 110 KV. Las líneas discontinuas, sean del color que sean, representan líneas programadas o en construcción de la tensión correspondiente al color. Los puntos gruesos de color negro representan subestaciones eléctricas (al lado de las centrales sirven para elevar la tensión antes de transportarla, y al lado de las poblaciones para reducir la tensión con objeto de poder usarla), y los cuadros representan las centrales con su capacidad de producción en MW. Los rellenos de negro las térmicas clásicas, los que tienen la mitad rellena de negro eólicas y los de la mitad diagonal rellena de negro de ciclo combinado. El control del sistema eléctrico exige adecuar la producción de las centrales a las necesidades de los clientes (cargas) pasando por las subestaciones.
Caídas de árboles sobre líneas, vientos, rayos, fallos en equipos, etc., pueden ocasionar perturbaciones graves en el sistema eléctrico, por ello, deben haber sofisticados sistemas de control que eliminen o minimicen sus consecuencias para el usuario final. Dependiendo de la gravedad de la perturbación los diferentes niveles del control del sistema eléctrico actuarán reduciendo la tensión, dividiendo una red en subredes, desconectando líneas y usuarios, etc. El sistema eléctrico es pues un buen ejemplo de lo complicado que puede llegar a ser un sistema de control.

Aerospacial

La consecución de un control adecuado fue probablemente la llave que permitió a los hermanos Wright hacer volar un aparato a principios del siglo XX (ver Figura 1.6). De hecho, los hermanos Wright no se hicieron famosos por demostrar simplemente el vuelo con motor,  sino por demostrar el vuelo con motor controlado. Su primer aeroplano incorporaba ya superficies de control (aletas verticales y alas de pato⁴ ) así como alas adaptables que permitían al piloto controlar el vuelo. Realmente, un avión en vuelo es un sistema que tiende a hacerse inestable, con lo cual se necesita un sistema de control (el piloto cuando el vuelo es manual) que actúe de forma constante para que no caiga. A este primer vuelo controlado de 1903 le han seguido 100 años de éxitos continuos en la mejora de los sistemas de control de los aviones, los cuales han dado lugar a los aparatos comerciales y militares de hoy en día (ver Figura 1.7). En la Figura 1.7 (a) se muestra el Eurofighter, nacido de un consorcio anglo/alemán/italo/español. Es un avión de una maniobrabilidad extraordinaria (obsérvense sus alas de pato y de delta truncadas), para lo cual se diseñó inherentemente inestable; un cuádruple sistema de control digital da una estabilidad artificial al estar ajustando constantemente las superficies de control (Fly-by-wire⁵ ). En la Figura 1.7 (b) se muestra el X-45 UCAV (Unmanned Combat Air Vehicle), un avión militar no tripulado estadounidense apto para volar a match 0,85  y capaz de transportar misiles. Tanto su longitud total como envergadura de alas están en torno a los 11 metros.