1UNA VISIN GENERAL Y BREVE HISTORIA DEL CONTROL DE RETROALIMENTACINEl control es un concepto muy comn. El trmino se refiere a determinados tipos de interacciones hombre-mquina. Por ejemplo, en la conduccin de un automvil. Ella es necesario controlar el vehculo con el fin de forma segura en una planificada destino. Tales: sistemas requieren control manual. Control automtico implica mquinas slo, como en el control a temperatura ambiente, donde el la temperatura est controlada por un horno en invierno y un acondicionador de aire en verano: Ambas mquinas estn a su vez controlados (activar y desactivar) de acuerdo con una lectura del termostato. A partir de estos escenarios especficos podemos generalizar una definicin de la ingeniera del control: El control es el proceso de utilizar una variable del sistema para ajustarse a un valor deseado y el valor de referencia. En el ejemplo de horno y aire acondicionado, la temperatura es la variable de sistema que est siendo controlado.Un amplio conjunto de conocimientos comn a ambos manual y control automtico se ha convertido en la disciplina de los sistemas de control diseo. El tema de este libro. Ms especficamente, estamos interesados en la clase especial de los sistemas de control que utilizan la retroalimentacin. Es el proceso de medicin de la variable controlada (por ejemplo, Temperatura ambiente) y usando que informacin para influir en el valor de la variable controlada.Los propsitos y usos de control de retroalimentacin nunca han sido ms emocionante de lo que son hoy. Los ejemplos incluyen los pilotos automticos de avin que aterrizar el avin en caso de niebla densa, telescopios espaciales que tienen un sealador de precisin de alrededor de una millonsima de grado disco duro de la computadora cabezas de lectura con una precisin de aproximadamente un micrn, y robots que le brindan comidas en el hospital. El siglo que viene, sin duda, ver bien entrenado los ingenieros de control crea aplicaciones an ms imaginativas de control de retroalimentacin.Resumen del captuloAbrimos este captulo con una exploracin de control de retroalimentacin mediante un ejemplo especfico: un horno de hogar controlado por un termostato. Las componentes genricas de un sistema de control se identifican dentro del contexto de este ejemplo. En otro ejemplo, un crucero automvil control que asignar valores numricos reales a elementos del sistema de modelar y realizar un anlisis matemtico muy simple que muestra el 'problemas de diseo fundamentales en el diseo de control de retroalimentacin. Seccin 1.3 ofrece una breve historia de la teora y diseo de control. Y finalmente. Seccin 1.4 ofrece una breve descripcin de los contenidos y organizacin de este texto. 1.1 Un sistema de retroalimentacin simpleEn los sistemas de retroalimentacin del ser variable controlada, tales como la temperatura o velocidad se mide por un sensor, y la informacin se realimenta al proceso para influir en la variable controlada. El principio se ilustra fcilmente por un sistema muy comn. El horno del hogar controlado por un termostato. Los componentes de este sistema se muestran en la Fig. 1.1 como un diagrama de bloques. Tal cuadro identifica los principales componentes como bloques en el sistema, omite detalle; y sin ecuaciones muestra las principales direcciones de la informacin y el flujo de energa de un componente a otro.

Podemos analizar fcilmente el funcionamiento de este sistema cualitativamente. Supongamos que tanto la temperatura en la casa donde se encuentra el termostato y la temperatura exterior es significativamente inferior a la temperatura deseada cuando se aplica energa. El termostato que sobre, y la lgica de control transmitir energa a la vlvula de gas del horno, que se abrir. Esto har que el horno de fuego, el ventilador para funcionar, y el calor que se suministra a la casa. Es el horno est diseado correctamente, la entrada de calor Q ", har que mucho ms grande que la prdida de calor Q". Y la temperatura ambiente se levantar hasta que se excede el ajuste del termostato en una pequea cantidad. En este momento el horno se apagar, y la temperatura ambiente comenzar a caer hacia el valor fuera. Cuando se cae un grado ms o menos por debajo del punto del termostato conjunto, el termostato se encender de nuevo, y el ciclo se repetir. De este ejemplo podemos identificar los componentes genricos del sistema de control de retroalimentacin primaria, que se muestra en la Fig. 1.2.El componente central es los pasos o las plantas, una de cuyas variables de salida es a l controlaba. En nuestro ejemplo, el proceso es la casa, la salida es la temperatura casa, y la perturbacin del proceso es el flujo de calor de la casa debido a la conduccin a travs de las paredes, las races, las ventanas y puertas de la temperatura exterior baja. (El flujo de calor hacia el exterior tambin depende de otros factores, tales como puertas de viento y abiertas) el actuador es el dispositivo que puede influir en la variable controlada del proceso; en nuestro caso, el actuador es el horno de gas. En realidad, el horno tiene una luz piloto, una vlvula de gas, y un ventilador soplador, que activa o desactiva en funcin de la temperatura del aire en el horno. Estos datos ilustran el hecho de que muchos sistemas de retroalimentacin contienen componentes que a su vez forman otros sistemas de retroalimentacin. El componente marcado termostato en la fig. 1.1 se divide en tres partes en la Fig. 1.2: los sensores de referencia y de salida y el comparador (el smbolo de suma). Para efectos de control de retroalimentacin que necesitamos para medir la variable de salida (temperatura de la casa); detectar la referencia variable (temperatura deseada), y comparar los dos. Al igual que con este sistema, a veces no es posible para la variable controlada y la variable detectada sean lo mismo. Aunque deseamos controlar la temperatura de la casa como un todo, el termostato est en una habitacin en particular, que puede o no puede ser la misma temperatura que el resto de la casa. Por ejemplo, si el termostato est programado a 75 F, pero se coloca en la sala de estar cerca de una chimenea, una persona que trabaja en el estudio todava poda sentir incmodamente fro.

Este texto se presenta los mtodos para el anlisis de sistemas de control de retroalimentacin y sus componentes y describir las tcnicas de diseo ms importantes del ingeniero puede utilizar con confianza en la aplicacin de la retroalimentacin para resolver los problemas de control. Tambin vamos a estudiar las ventajas especficas de retroalimentacin que compensan la complejidad adicional que exige.1.2 Un primer anlisis de ComentariosEl valor de realimentacin se puede demostrar fcilmente por anlisis cuantitativo de un modelo simplificado de un sistema familiar, el control de crucero de un automvil (Fig. 1-3)Para estudiar esta situacin analtica, necesitamos un modelo de nuestro sistema, es decir, un conjunto de relaciones matemticas entre las variables. Para este ejemplo, ignorar la respuesta dinmica de los coches y considerar slo el comportamiento estable. (Dinmica jugar un papel importante en los prximos captulos.) Por otra parte, se supone que, para el rango de velocidades para ser utilizado por el sistema, podemos aproximar las relaciones como lineal. Despus de medir la velocidad del vehculo en una calzada plana a 55 mph, se encuentra que un cambio de 1 en el ngulo del acelerador (nuestra variable de control) causa un l0 mph cambio en velocidad. Cuando los cambios de grado en un 1%, que miden un cambio de velocidad de 5 mph. El velocmetro se encuentra para tener una precisin de una fraccin de 1 mph y por lo tanto puede considerarse exacta. Con estas relaciones, podemos dibujar un diagrama de bloques funcionales (Fig. 1.4), que representa las relaciones matemticas especficas. En este tipo de diagrama de las lneas son como cables que llevan seales y un bloque es como un amplificador que multiplica la seal en su entrada por el nmero o el aumento marcado en el bloque para dar la seal de salida. Para resumir dos o ms seales, mostramos lneas para las seales que entran en un verano, un crculo con en el interior. Un signo (ms o menos) al lado de cada punta de la flecha indica si la entrada de suma o resta de la produccin total del verano. En la figura 1.4 se da ninguna relacin para el controlador; queremos comparar los efectos de un grado 1% cuando la velocidad est fijada para el 55 con y sin realimentacin al controlador.En el primer caso, llamado bucle abierto, el controlador no utiliza la lectura del velocmetro y fija como se muestra en la Fig. 1.5. Este es un ejemplo de un sistema de control de bucle abierto, en el que no hay medida de la salida y no el uso subsiguiente de que la salida para que la planta se ajusta a la salida deseada. el bucle abierto trmino se refiere al hecho de que no hay un camino cerrado o bucle alrededor de la cual las seales pueden ir en el diagrama de bloques. En nuestro ejemplo simple, la velocidad de salida est dada por

Si , un camino llano, y , entonces la velocidad ser de 55 y no hay error. Sin embargo, si w = 1 (un grado 1%), a continuacin, la velocidad ser 50 y tenemos un error del 5 mph (o 10%) en la velocidad. Para un grado de 2%, el error de velocidad sera mph I0 (o 20 '), y as sucesivamente. Aunque este ejemplo muestra que no habra ningn error cuando w = 0, de hecho, este resultado depende de la ganancia de control (1/10) siendo el inverso exacto de la ganancia de la planta 10. En la prctica, esta determinacin exacta de la planta ganancia es prcticamente imposible de conseguir y es tpicamente sujetos a cambios en cualquier caso. Si hay un error en la ganancia de la planta, el error de velocidad por ciento sera el mismo que el error planta de ganancia permanente.Comparemos esto con el esquema de retroalimentacin se muestra en la Fig. 1.6, donde la ganancia de realimentacin tiene un valor numrico de 100. Ganancia de realimentacin es el factor de multiplicacin entre el error de salida y la entrada de la planta. Tenga en cuenta que la topologa de este diagrama de bloques es un bucle cerrado. Un sistema de control de bucle cerrado es uno que mide su salida y ajusta en consecuencia su entrada mediante el uso de retroalimentacin. En este caso las ecuaciones son

La combinacin de ellos rendimientos

Si el conjunto de entrada punto r = 55 kilmetros por hora y el grado w = 1%, entonces, Que es un error de slo el , o 0.1%. Si el grado entonces, un error de slo el 0,1 mph, o 0,2%. As, la realimentacin en el control de bucle cerrado ha reducido drsticamente la sensibilidad del error de velocidad en el grado en un factor de 100 en comparacin con el sistema de bucle abierto. Tenga en cuenta, sin embargo, que ahora hay un pequeo error de velocidad en un terreno llano, porque cuando w = 0 Ese error ser muy pequeo siempre y cuando la ganancia de realimentacin (= 100) es grande. A diferencia del caso de bucle abierto, un error en la ganancia de la planta causa poco error. Si el aumento de la planta fueron 9 en lugar del l0 utilizado por el diseador de controles, las ecuaciones de control de retroalimentacin se producen 54,939 mph mientras que el control de bucle abierto producira 49,5 mph. El error que se produce cuando no hay perturbacin es parte del error de estado estacionario de un sistema de retroalimentacin. El diseo de un sistema de retroalimentacin es influido sustancialmente por error de estado estacionario de un sistema, un problema que se van a plantear en varias ocasiones en los prximos captulosLa gran reduccin de la sensibilidad a las perturbaciones de velocidad de grado y la ganancia de la planta en nuestro ejemplo es debido a la relativamente grande ganancia de 100 en las votaciones. Por desgracia, hay lmites a lo alto esta ganancia se puede hacer; cuando se introducen dinmicas. La retroalimentacin puede hacer la peor respuesta que antes, incluso inestable. El dilema se ilustra por otra situacin familiar donde es fcil cambiar una ganancia de retroalimentacin. Si uno trata de aumentar la ganancia de un amplificador de megafona demasiado, el sistema de sonido en un chillido ms manera desagradable. Esta es una situacin en la que la ganancia en el circuito de retroalimentacin - de los altavoces al micrfono a travs del amplificador de nuevo a los altavoces es demasiado. La cuestin de cmo obtener la ganancia tan grande como sea posible para reducir los errores sin que el sistema se vuelva inestable y chillido es lo que gran parte del diseo de control de retroalimentacin se trata.1.3 una breve historiaUna interesante historia de los primeros trabajos sobre el control de retroalimentacin ha sido escrita por O. Mayr (1970), que traza el control de los mecanismos de la antigedad. Dos de los ejemplos ms antiguos son el control de la velocidad de flujo para regular un reloj de agua y el control de nivel de lquido en un vaso de vino, que se mantiene lleno por lo tanto, independientemente de cuntas tazas se sumergen de ella. El control de la velocidad de flujo de fluido se reduce al control de nivel de lquido, ya que un pequeo ori fi ce producir flujo constante si la presin es constante, lo que es el caso si el nivel del lquido por encima del orificio es constante. El mecanismo de control de nivel de lquido invent en la antigedad y todava se utiliza hoy en da (por ejemplo, en el depsito de agua del inodoro ordinario) es la vlvula de flotador. A medida que el nivel del lquido disminuye, tambin lo hace el flotador, permitiendo que el flujo en el tanque para aumentar; como el nivel sube, el flujo se reduce y si de corte necesario. Figura 1.7 muestra cmo funciona una vlvula de flotador. Ntese aqu que el sensor y el actuador no son dispositivos separados, pero que figura en la combinacin de flotacin y de suministro de tubos en forma de cuidado.Una invencin ms reciente descrito por Mayr (1970) es un sistema, diseado por Cornelis Drebbel en aproximadamente 1620, para controlar la temperatura de un horno usado para calentar una incubadora (Fig. 1.8). El horno consiste en una caja para contener el fuego, con una gripe en la parte superior equipada con un amortiguador. Dentro de la caja de fuego es el cuadro de la incubadora de pared doble, las paredes huecas de las cuales se llenan con agua para transferir el calor de manera uniforme a la incubadora. El sensor de temperatura es un recipiente de vidrio lleno de alcohol y mercurio y se coloca en la camisa de agua alrededor de la caja incubadora. A medida que el fuego calienta el cuadro y el agua, el alcohol se expande y el elevador flota hacia arriba, bajando el amortiguador en el conducto de humos. Si el cuadro es demasiado fro, los contratos de alcohol, el amortiguador se abre, y el fuego se quema ms caliente. La temperatura deseada se ajusta por la longitud de la columna ascendente, que establece la apertura de la compuerta para una expansin dada del alcohol

Un problema conocido en las crnicas de los sistemas de control fue la bsqueda de un medio para controlar la velocidad de rotacin de un eje. Gran parte del trabajo temprano (Fuller, I976) parece haber sido motivado por el deseo de controlar automticamente la velocidad de la piedra de moler en una impulsada por el viento harina molino. De varios mtodos intentaron, el que tiene la mayor promesa utiliza un pndulo cnico, o volar-ball gobernador, para medir la velocidad del molino. Las aspas del molino de conduccin fueron enrolladas o dejaron salir con cuerdas y poleas, muy similar a una cortina de la ventana, para mantener la velocidad fija. Sin embargo, fue la adaptacin de estos principios a la mquina de vapor en los laboratorios de James Watt hacia 1788 que hizo el gobernador de elevados famoso. Una primera versin se muestra en la Fig. 1,9, mientras que las Figs. 1.10 y 1.11 muestran un primer plano de un gobernador volar-ball y un bosquejo de sus componentes.La accin del gobernador de elevados (tambin llamado un regulador centrfugo) es fcil de describir. Supongamos que el motor est funcionando en equilibrio. Dos bolas pesadas girando alrededor de un eje central se pueden ver para describir un cono de un ngulo dado con el eje. Cuando se aplica una carga de repente en el motor, la velocidad del motor se ralentizar, y las bolas del gobernador se reducirn a un cono ms pequeo. As, el ngulo de baln se utiliza para detectar la velocidad de salida. Esta accin, a travs de las palancas, se abrir la vlvula principal a la cmara de vapor (que es el actuador) y admitir ms vapor al motor, restaurando la mayora de la velocidad perdida. Para mantener la vlvula de vapor en una nueva posicin, es necesario que las bolas de la mosca para girar en un ngulo diferente, lo que implica que la velocidad bajo carga no es exactamente el mismo que antes. Vimos este efecto antes con control de crucero, donde el control de retroalimentacin dio un error muy pequeo. Para recuperar la misma velocidad exacta en el sistema, sera necesario reajustar el ajuste de la velocidad deseada por el cambio de la longitud de la varilla de la palanca de la vlvula. Inventores posteriores introdujeron mecanismos que integran el error de velocidad para proporcionar resetear automtico. En el captulo 4 se analizarn estos sistemas para demostrar que dicha integracin puede dar lugar a sistemas de retroalimentacin con cero errores en estado estacionario a las perturbaciones constantes.

Debido Watt era un hombre prctico, como los constructores de molinos antes de l que no particip en el anlisis terico del gobernador. Fuller (1976) ha rastreado la el desarrollo temprano de la teora de control para un perodo de estudios de Christian Huygens en I673 a James Clerk Maxwell en I868. Fuller da crdito particular a las contribuciones de GB Airy, profesor de matemticas y astronoma en la Universidad de Cambridge desde 1826 hasta 1835 y Astrnomo Real en Greenwich Observatorio de 1835 a 1881. Airy se ocupaba de control de la velocidad; si sus telescopios podran ser girados en contra de la rotacin de la Tierra, una estrella fija se pudo observar durante perodos prolongados. Utilizando el regulador centrfugo pndulo descubri que era capaz de movimiento inestable - "y la mquina (si me lo puedo expresarme) se convirti perfectamente salvaje" (. Airy 1840. Citado en Fuller, 1976). Segn Fuller. Airy fue el primer trabajador para discutir la inestabilidad en un sistema de control de retroalimentacin y el primero en analizar este sistema mediante ecuaciones diferenciales. Estos atributos muestran que est comenzando el estudio de la dinmica de control de retroalimentacin.El estudio sistemtico primero de la estabilidad de control de retroalimentacin al parecer, se le dio en el peridico "El Gobernadores" por JC Maxwell (I868)? En este trabajo, Maxwell desarroll las ecuaciones diferenciales del gobernador, les lineariz sobre el equilibrio, y afirm que la estabilidad depende de las races de una determinada ecuacin (caracterstica) que tienen partes reales negativas. Maxwell intent derivar condiciones sobre los coeficientes de un polinomio que se espera si todas las races tenan partes reales negativas. l fue posible slo para casos de segundo y tercer orden. Criterios determinantes para la estabilidad era el problema para el Premio Adams de 1877 que fue ganado por EJ Routh. Su criterio. Desarrollado en sus restos de suficiente inters que controlan los ingenieros todava estn aprendiendo cmo aplicar su tcnica simple. Anlisis de la ecuacin caracterstica sigue siendo el fundamento de la teora de control hasta la invencin del amplificador de retroalimentacin electrnica por HS Negro en 1927 en los Bell Telephone Laboratories.Poco despus de la publicacin de la obra de Routh, el matemtico ruso AM Lyapunov (1893) comenz a estudiar la cuestin de la estabilidad de movimiento. Sus estudios se basaron en las ecuaciones diferenciales no lineales de movimiento y tambin incluyeron resultados de ecuaciones lineales que son equivalentes a criterio de Routh. Su trabajo fue fundamental para lo que ahora se llama el enfoque de variable de estado para el control de la teora, pero no se introdujo en la literatura de control hasta cerca de 1958. El desarrollo de las votaciones amplificador es y brevemente descrito en un interesante artculo sobre la base de una altura: por HW Bode (I960) reproducido en Bellman y Kalaba (1964). Con la introduccin de los amplificadores electrnicos. Llamadas telefnicas de larga distancia se hizo posible en las dcadas posteriores a la Primera Guerra Mundial Sin embargo, como las distancias aumentaron, tambin lo hicieron la prdida de energa elctrica; a pesar de la utilizacin de alambre de mayor dimetro. Se necesitan un nmero creciente de los amplificadores para reemplazar la energa perdida. Por desgracia, un gran nmero de amplificadores resultaron en mucha distorsin ya que las pequeas no linealidades de los tubos de vaco utilizan en electrnica amplificadores se multiplican muchas veces. Para resolver el problema de la reduccin de la distorsin, Negro propuso las votaciones amplificador. Como se mencion anteriormente en relacin con el control de velocidad del automvil, ms deseamos reducir errores (o distorsin), la mayor retroalimentacin tenemos que aplicar. La ganancia del lazo del actuador a la planta al sensor de actuador debe hacerse muy grande. Con una alta ganancia del bucle de retroalimentacin comienza a chillar y es inestable. Aqu era problema de estabilidad de Maxwell y de Routh nuevo, excepto que en esta tecnologa la dinmica eran tan complejas (con ecuaciones diferenciales de orden 50 siendo comn) que el criterio de Routh no era muy servicial. As que los ingenieros de comunicaciones de Bell Telephone Laboratories, familiarizados con el concepto de respuesta de frecuencia y la matemtica de variables complejas, se volvieron hacia el anlisis complejo. En 1932 H. Nyquist public un artculo que describe cmo determinar la estabilidad de una representacin grfica de la respuesta del bucle de frecuencia. Desde esta teora se desarroll una extensa metodologa de diseo amplificador de retroalimentacin descrito por Bode (1945) y ampliamente utilizado todava en el diseo de los controles retroalimentar. Nyquist y Bode parcelas se discuten en ms detalle en el captulo 6.Simultneamente con el desarrollo de las votaciones amplificador, control de retroalimentacin de los procesos industriales se estaba convirtiendo en norma. Este campo, que se caracteriza por procesos que no slo son altamente complejos, pero tambin no lineal y con sujecin a los retrasos de tiempo relativamente largos entre actuador y sensor, desarrollado control integral-derivado proporcionalidad (PID). El controlador PID fue primero descrito por Callender et al. (I936). Esta tecnologa se basa en un extenso trabajo experimental y aproximaciones linealizadas simples para la dinmica del sistema. Se llev a experimentos estndares adecuados para su aplicacin en el campo y, finalmente, a "tuning" satisfactorio de los coeficientes del controlador PID. (Controladores PID se tratan en el Captulo 4) Tambin se est desarrollando en este momento eran dispositivos para guiar y controlar la aeronave; especialmente importante fue el desarrollo de sensores para la medicin de la altitud y la velocidad de la aeronave. Un interesante relato de esta rama de la teora de control se da en McRuer (1973).Un enorme impulso fue dado a la esfera de control de retroalimentacin durante la Primera Guerra Mundial I. En los ingenieros de los Estados Unidos y matemticos en el Laboratorio de Radiacin del MIT combinaron sus conocimientos para reunir no slo teora amplificador realimentado de Bode y el control PID de los procesos, sino tambin la teora de los procesos estocsticos desarrollados por N. Wiener (1930) El resultado fue el desarrollo de un amplio conjunto de tcnicas para el diseo de servomecanismos, como mecanismos de control llegaron a ser llamados. Gran parte de este trabajo se recogi y se publicarn en las actas del Laboratorio de Radiacin de James et al. (1947).Otro enfoque para el diseo de sistemas de control fue introducido en 1948 por WR Evans, que estaba trabajando en el campo de la orientacin y el control de las aeronaves. Muchos de sus problemas involucrados dinmicas inestables o neutralmente estable, lo que hizo los mtodos de frecuencia difcil, por lo que sugiri volver al estudio de la ecuacin caracterstica que haba sido la base de la obra de Maxwell y Routh casi 70 aos antes. Sin embargo, Evans desarrollado tcnicas y reglas permitiendo que uno siga grficamente los caminos de las races de la caracterstica ecuacin como un parmetro se ha cambiado. Su mtodo, el lugar de races, es adecuado para el diseo, as como para el anlisis de la estabilidad y sigue siendo una tcnica importante hoy en da. El mtodo del lugar de races desarrollado por Evans se trata en el captulo 5.Durante la dcada de 1950 varios autores, incluyendo R. Bellman y RE Kalman en los Estados Unidos y LS Pontryagin en la URSS, comenzaron de nuevo a considerar la ecuacin diferencial ordinaria (ODE) como un modelo para los sistemas de control. Gran parte de este trabajo fue estimulado por el nuevo campo del control de satlites terrestres artificial, en los que la EDO es una forma natural para escribir el modelo. Apoyando este esfuerzo eran ordenadores digitales, que podran ser utilizados para llevar a cabo clculos impensable 10 aos antes. (Ahora, por supuesto, estos clculos pueden ser realizados por cualquier estudiante de ingeniera con una computadora de escritorio). El trabajo de Lyapunov fue traducido al lenguaje de control en esta poca, y el estudio. controles de ptimos, iniciadas por Wiener y Phillips duranteLa Segunda Guerra Mundial, se extendi a la optimizacin de las trayectorias de los sistemas no lineales basados en el clculo de variaciones. Gran parte de este trabajo se present en la conlerence primero de la Federacin Internacional de Control Automtico recin formado celebrada en Mosc en 1960. Esta obra no hizo uso de la respuesta de frecuencia o la ecuacin caracterstica, pero trabajaron directamente con el ODE o "estado" normal " "Formand normalmente llamado para un amplio uso de las computadoras. A pesar de que los fundamentos del estudio de EDOs se establecieron a finales del siglo 19, este enfoque est ahora a menudo llamado control moderno para distinguirla de la de control clsico, que utiliza los mtodos de variable compleja de Bode y otros. En el perodo comprendido entre los aos 1970 continuando hasta el presente, hallamos un creciente cuerpo de trabajo que busca utilizar las mejores caractersticas de cada tcnica.As llegamos a la situacin actual. Sentimos que el ingeniero bien preparado debe entender muchas tcnicas, debera ser capaz de elegir el mtodo ms adecuado para el problema en cuestin, y debe ser capaz de utilizar ese mtodo para guiar y verificar los clculos automticos.1.4 una visin general del libroEl propsito central de este libro es dar a conocer las tcnicas ms importantes para el diseo de sistemas de control; Captulo 2 revisar las tcnicas necesarias para la obtencin de modelos de los sistemas dinmicos que deseamos de control -a: Estos incluyen la creacin de modelos de mecnica, electricidad, electromecnica, y algunos otros sistemas fsicos. Tambin se describe en el captulo 2 es la linealizacin de modelos no lineales.En el captulo 3 vamos a discutir el anlisis de la respuesta dinmica utilizando transformadas de Laplace, junto con la relacin entre el tiempo de respuesta y los polos y ceros de la funcin de transferencia. El captulo tambin incluye un breve anlisis de simulacin numrica y cmo construir modelos a partir de datos experimentales.En el captulo 4 se har cargo de los rasgos bsicos de la retroalimentacin. Un anlisis de los efectos de retroalimentacin sobre rechazo de perturbaciones, en la precisin de seguimiento, y en respuesta dinmica se le dar. En la ms elemental de las situaciones que se presentarn los problemas esenciales de control y cmo pueden ser abordados.En los captulos 5 a 7 vamos a introducir las tcnicas para la realizacin, en los sistemas dinmicos ms complejos, los objetivos identificados en el captulo 4. Estos mtodos incluyen lugar de las races, la respuesta de frecuencia, y la colocacin de polos variable de estado. Ellos son los medios alternativos para el mismo fin y tienen diferentes ventajas y desventajas. Los mtodos son fundamentalmente complementarios y cada uno tiene que ser entendido para lograr el diseo de sistemas de control ms eficaces.En el captulo 8 nos introduciremos brevemente las ideas asociadas con la implementacin del control de una computadora digital. Las direcciones captulo cmo se "digitaliza" las ecuaciones de control desarrolladas en los captulos 4 a 7, cmo el anlisis de los sistemas incluidos en la muestra requiere otro anlisis herramienta de la transformada z - y cmo el muestreo introduce un retardo que tiende a desestabilizar el sistema.La aplicacin de todas las tcnicas a los problemas de complejidad sustancial ser discutida en el Captulo 9. All podr hallar todos los mtodos de diseo que se ejercen simultneamente en estudios de casos especficos.La mayora de los diseadores de controles actuales hacen un amplio uso de diseo de sistemas de control (CACSD) herramientas de software asistido por ordenador que estn disponibles comercialmente. Estas herramientas son capaces de realizar muchos de los clculos que se tratan en este libro. Por otra parte, la mayora de los programas de instruccin en el diseo de sistemas de control tambin harn herramientas CACSD a disposicin de los estudiantes. El software ms utilizado son MATLAB, MATRIX, "CTRL-C y CC. Usted encontrar referencias a rutinas de MATLAB largo del texto para ayudar a ilustrar este mtodo de solucin. Ellos no estn destinados a ser un sustituto para el manual del software; ms bien, que le servirn de gua en el lugar apropiado en el manual para los clculos especficos. Apndice F contiene una tabla que cruza las referencias a la rutina en MATLAB con los de los productos de software -los dems. Por otra parte, muchas de las figuras en el libro fueron creados utilizando MATLAB y los archivos para su creacin se encuentran en un disco que est disponible de forma gratuita a partir de The MathWorks, Inc., mediante la devolucin de la tarjeta en la parte posterior del libro. Deben ser de ayuda para usted en aprender cmo utilizar mtodos CACSD y en la solucin de problemas similares.Hace falta decir que, debido a las limitaciones de espacio de muchos temas no son tratados en el libro. Nosotros no extendemos los mtodos a los sistemas con ms de una entrada o salida, el llamado control multivariable. Tampoco se trata de control ptimo en ms de una manera muy introductoria. Hemos tenido que omitir cualquier consideracin real de control no lineal, a pesar de que muchos de los problemas reales de diseo son para plantas no lineales. Tambin ms all del alcance de este texto es un tratamiento detallado de la prueba experimental y modelado de hardware real, que es la prueba definitiva de que cualquier diseo realmente funciona. El libro se centra en el anlisis y diseo de control lineal para los modelos lineales de plantas - no porque pensamos que es la prueba final de un diseo, sino porque esa es la mejor manera de entender las ideas bsicas de la retroalimentacin y ser capaz de responder de forma rpida preguntas de caractersticas de error y estabilidad. Creemos que el dominio del material aqu proporcionar una base de entendimiento en el que se puede construir el conocimiento de estos temas, una ms avanzados y realistas de cimentacin lo suficientemente fuerte como para permitir que usted construya su - mtodo de diseo propio en la tradicin de todos los que trabajaron para darnos el conocimiento que aqu presentamos.Resumen El control es el proceso de elaboracin de una variable de sistema se adhieren a un valor determinado, llamado el valor de referencia. Dos clases de control se definen e ilustran: En el control de bucle abierto del sistema no mide la salida, y no hay compensacin de que la salida para que sea conforme con la salida deseada. En el control de bucle cerrado que utiliza el sistema de retroalimentacin, que es el proceso de medicin de una variable de control y devolver la salida para influir en el valor de la variable. Un sistema de realimentacin simple consiste del actuador. comparador, el proceso o de la planta, y los sensores de referencia y de salida. Los diagramas de bloques son tiles para la visualizacin de lo que ocurre en los sistemas de control. Un diagrama de bloques componente representa en forma de bloques de los principales componentes de un sistema de control y muestra las principales direcciones de la informacin y energa flujo de un componente a otro. Un diagrama de bloques funcional que ilustra las relaciones matemticas entre los componentes en un sistema de control. Hay dos que hoy se acerca al control: mtodos de control clsicos utilizan variables complejas, mientras que "los mtodos modernos de control tambin se basan en ecuaciones diferenciales ordinarias (EDOs).Problemas1.1 Dibuje el diagrama de bloques de componentes para cada uno de la siguiente retroalimentacin comn sistemas de control:a) el sistema de direccin manual de un automvilb) la incubadora de Drebbelc) el nivel de agua controlada por un flotador y la vlvulad) la mquina de vapor de Watt con fly-ball gobernadore) la direccin automtica de un barco de alta marf) un sistema de megafonaIdentificar los siguientes componentes en cada diagrama: Proceso salida controlada actuador actuador e salida sensor sensor de salida referencia de entrada1.2 El termostato de su hogar u oficina puede utilizar uno de los siguientes controles: un tubo lleno de lquido, una tira bimetlica, fuelles de resorte, o un controlador electrnico.Describir cmo funciona cada uno.1.3 Una mquina para la fabricacin de papel se esquematiza en la figura. 1.12. Hay dos parmetros principales bajo control de retroalimentacin: la densidad de fibras como controlado por la consistencia de la pasta espesa que fluye desde la caja de entrada sobre el alambre, y el contenido de humedad del producto final que sale de los secadores. Stock de la tina de mquina se diluye por el agua blanca de regresar de debajo del alambre como controlado por una vlvula de control (CV). Un metro suministra una lectura de la consistencia. En el "extremo seco" de la mquina, hay un sensor de humedad. Dibuje un diagrama de bloques de componentes, e identificar los siete componentes de la lista en el problema de 1.1a) el control de la coherenciab) el control de la humedad.1.4 Muchas variables en el cuerpo humano estn bajo el control de retroalimentacin. Para cada una de las siguientes variables controladas, dibujar el diagrama de componentes de bloques que muestra -el proceso que est siendo controlado, el sensor que mide la variable, el actuador que hace que para aumentar y / o disminuir, la ruta de la informacin que completa el camino de realimentacin, y el perturbaciones que alteran la variable. Es posible que necesite consultar una enciclopedia o libro de texto sobre la fisiologa humana para obtener informacin

a) la presin arterialb) la concentracin de azcar en sangrec) la frecuencia cardacad) ngulo de ojos apuntandoe) el dimetro del ojo-alumnof) el nivel de calcio en la sangre

1.5 Dibuje el diagrama de bloques de componentes para el control de temperatura en un refrigerador.1.6 Dibuje el diagrama de bloques de componentes para un control del elevador-posicin. Indique cmo le interesa medir la posicin de la cabina del ascensor. Considere la posibilidad de un sistema de medicin grueso y fino combinado. Lo precisiones Qu sugieres para cada sensor?1.7 de realimentacin requiere ser capaz de sentir la variable controlada. Debido a que las seales elctricas se pueden transmitir, identi fi cador, y procesados con facilidad, a menudo queremos utilizar este hecho haciendo que el sensor de entregar como salida una tensin proporcional a la variable que se mide. Elaborar los principios de funcionamiento, y dibujar un diagrama adecuado para explicar el funcionamiento de los diferentes tipos de sensores que midan la siguiente:

a) temperaturab) la presinc) el nivel de lquidod) flujo de lquido a lo largo de una tubera(O de la sangre a lo largo de una arteria).e) posicin linealf) posicin de girog) la velocidad linealh) la velocidad de rotacin.i) la aceleracin de traslacinj) la fuerzak) Par

En cada caso comentario en el rango esperado dinmica, la linealidad, y la relacin seal-ruido de su dispositivo 1.8 Cada una de las variables enumeradas en el problema 1.7 pueden ser llevados bajo control de retroalimentacin. Describir los accionadores alternativos que pueden influir en cada variable. Comentarios sobre la gama de niveles de potencia disponibles en cada caso.2MODELOS DINMICOSUna mirada hacia Modelos dinmicos.El objetivo general de control de retroalimentacin es utilizar el principio de retroalimentacin para hacer que la variable de salida de un proceso dinmico de seguir una variable accurateiy referencia deseada, independientemente de la trayectoria de la variable de referencia y de las perturbaciones externas o cualquier cambio en la dinmica del proceso. Este objetivo se cumple complejo como el resultado de una serie de medidas simples, distintas. El primero de ellos es el de desarrollar una descripcin matemtica (llamado un modelo dinmico) del proceso a controlar. El modelo de plazo, ya que se utiliza y entendido por los ingenieros de control, significa un conjunto de ecuaciones diferenciales que describen el comportamiento dinmico del sistema.En muchos casos, la modelizacin de sistemas complejos es difcil y costoso, especialmente cuando se incluyen los pasos importantes de construir y probar prototipos. Sin embargo, en este texto de introduccin, nos centraremos en los principios ms bsicos del modelado de los sistemas fsicos ms comunes. Las fuentes ms completas y textos especializados se harn referencia a lo largo del texto, en su caso para aquellos que deseen ms detalles.En los captulos siguientes vamos a explorar una variedad de mtodos de anlisis para hacer frente a las ecuaciones de movimiento, como el mtodo de la variable de estado, que se introduce brevemente en este captulo. Debido a que se presta a anlisis por ordenador, este mtodo es de particular inters para los estudiantes contemporneos de control.Resumen del captuloEl paso fundamental en la construccin de un modelo dinmico est escribiendo las ecuaciones de movimiento para el sistema. A travs de la discusin y una variedad de ejemplos, Seccin 2.1 muestra cmo escribir las ecuaciones de movimiento para una variedad de sistemas mecnicos. Una vez que estas ecuaciones se escriben, que pueden expresarse en la forma variable de estado, tal como se define y se muestra en la seccin 2.2. Modelos en forma variable de estado nos permiten aplicar la eficiencia computacional de herramientas de anlisis como MATLAB; unaEjemplo el uso de esta herramienta se muestra en la seccin 2.2.Adems de los sistemas mecnicos discutidos, circuitos elctricos, sistemas electromecnicos, y sistemas de calor y de flujo de fluido se modelan en las Secciones 2.3 a 2.5, respectivamente. Finalmente, la seccin 2.6 concluye con una discusin de linealizacin y la escala. Las ecuaciones diferenciales desarrollados en el modelado son a menudo no lineal. Debido a que son significativamente ms difcil de resolver que los lineales y porque los modelos lineales son generalmente adecuados, esta explicacin concluyente de cmo linealizar las ecuaciones no lineales se pretende hacer posible el anlisis y el diseo ms eficiente.Con el fin de centrarse en el primer paso importante del desarrollo de modelos matemticos, vamos a aplazar explicacin de los mtodos de clculo utilizados para resolver los problemas en este captulo hasta el captulo 3.