realimentación: entre lo natural y lo...

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Madrid, 6 de octubre de 2015Madrid, 6 de octubre de 20155/7/17 1SCI2017, 5/7/17 Realimentación: Entre lo natural y lo artificial Sebastián Dormido Bencomo 11

Realimentación:entre lo natural y lo artificial

Sebastián Dormido BencomoDpto. Informática y Automática, UNED

[email protected]

Vitoria 28-30 de junio de 2017


• Introducción

• El concepto de realimentación

• Los orígenes de la realimentación

• La realimentación en los seres vivos: Homeostasis

• Dos historias de éxito de la realimentación

– El regulador de Wat

– El amplificador realimentado

• Interdisciplinariedad de la realimentación

• Conclusiones

Contenido

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• Introducción








• Conclusiones

Contenido

Introducción Concepto Orígenes Homeostasis Dos historias Propiedades Interdisciplinariedad ConclusionesIntroducción Concepto Orígenes Homeostasis Dos historias Propiedades Interdisciplinariedad Conclusiones

Madrid, 6 de octubre de 2015SCI2017, 5/7/17 Realimentación: Entre lo natural y lo artificial Sebastián Dormido Bencomo 44

Trabajo artesano

El artesano es el respon-sable de la produccióntotal del producto

Cada producto es “único”

Producción y coste propor-cional al número deartesanos

Mecanización

Reorganización de losmétodos de producción

División en un número depasos bien definidos

Diseño de máquinas queayudan en cada paso

El trabajador es entrenadopara operar sus máquinas

Automatización

Profundiza en las caracte-rísticas de la mecanización

Los costes dependen delas materias primas, capitalinvertido y mantenimiento

El trabajador no entra direc-tamente en la producciónEl trabajador efectúa sololabores de supervisión


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Automática es la ciencia que trata de losmétodos y procedimientos cuya finalidad esla sustitución de un operador humano por unoperador artificial en la consecución de unatarea física o mental




Ingeniería de Sistemas y Automática

Inge

nier

ía M

ecán

ica

Inge

nier

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léct

rica

Inge

nier

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uím

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Inge

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Bioi

ngen

iería

Transversalidad de la Automática

Inge

nier

ía In

form

átic

a


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Noción de sistema

SistemaCausa Efecto

Lazo abierto Lazo cerrado

Sistema 1 Sistema 2 Sistema 1 Sistema 2

La automática trata de buscar principios generales para el estudio de lossistemas dinámicos con independencia de su tipología y complejidad.

Sistemas dinámicos

SistemaCausa Efecto

y(t)

t

u(t)

t



• Introducción








• Conclusiones

Contenido

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Ejemplo*: Proceso de llenar un vaso de agua.

“Realimentación es un método de controlar un sistema,reinsertandole los resultados de su comportamiento anterior.”(Norbert Wiener). Transmisión de información circular.

(*) Adaptado del texto “Dinámica de Sistemas” de J. Aracil y F. Gordillo, Alianza Editorial, 1997

Concepto de realimentación




( )th

( )tu

A

a

refhControlador

Un ejemplo sencillo: control de nivel en un tanque

( )tq

u(t): variable manipulada

h(t): variable controlada

href(t): nivel deseado

q(t): perturbación

Controlador Tanqueh

q

-

Sistema

erefh u

-



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Concepto de realimentaciónRealimentación positiva, cuandola respuesta a un estímulo aumentael estímulo original

Realimentación negativa, cuandola respuesta a un estímulo reduceel estímulo original

¿qué pasa si se ponen a los lobos y conejos en el mismo espacio vital?

+conejos

conejos

t

conejos

t

lobos

t

-

lobos

lobos

t





¿cómo será la evolución de la población de lobos y conejos?

-

lobos+

conejos

+

-

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• Introducción








• Conclusiones

Contenido



Reloj de agua Lámpara de aceite Dispensador de vino

Ktesibios Philon HeronOrígenes: la Escuela de Alejandría


MacLeod, R. ed (2004): The Library of Alexandria: Center of Learning in the Ancient World , I. B. Tauris, London.

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EstanqueEstanque

Flotador

Cámara

q0 = f(hr)

si hr es constante

q0 será constante

Þ

Orígenes: el reloj de agua de Ktesibios




• Introducción








• Conclusiones

Contenido

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Realimentación en los seres vivos: HomeostasisTodo ser vivo es un sistema auto regulado que debe su existencia, suestabilidad y la mayor parte de su conducta a los mecanismos derealimentación que lleva implícitos.

Claude Bernard (1813-1878)

Walter Cannon (1871-1945)

N. Wiener1894-1964

En 1878 reconocía lanotable estabilidad delmedio ambiente internode los organismos vivos.

En 1928 introduce eltérmino “homeostasis” quedescribe la estabilidad detales variables.

En 1948 acuña el término“cibernética” para estudiar comose regulan los sistemasbiológicos, de ingeniería, socia-les y económicos..




Realimentación en los seres vivos: Ejemplos

Regulación del nivel de glucosa en sangre Dilatación y contracción de la pupila

Ataxia locomotriz Termorregulación Lactancia materna Coagulación

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• Introducción




• Dos historias de éxito de la realimentación– El regulador de Wat



• Conclusiones

Contenido



Molino de agua

1ª historia de éxito: el regulador de Watt

Molino de viento


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Volante de cola

Contrapeso

Aspas principales

Bóveda movible

1ª historia de éxito: el regulador de WattEdmund Lee1 (1745)1. Aprovechamiento de la energía eólica

2. Regular la velocidad de las aspas

(1) Patente: “Self regulating wind machine”

Thomas Mead (1787)

Regulador centrífugo de Mead

1. La distancia entre las ruedas móvil y fija

2. La velocidad de rotación de la rueda móvil




Thomas Newcomen (1712): Constructor de la 1ª máquina de vapor

El problema de esta máquina era su bajo rendimiento energético (0,5 %)

Una máquina de vapor es un motor de combustión externa que transformala energía de una cantidad de vapor de agua en trabajo mecánico



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La máquina de Newcomen emplea casi tres cuartos de laenergía del vapor en calentar el pistón y el cilindro.

1. Desarrolla una cámara de condensación separadaque incrementa significativamente la eficiencia.

2. Introduce el cilindro de doble efecto que aceptavapor alternativamente a ambos lados del émbolo

Mejoras introducidas por Watt

Aumenta el rendimiento de la máquina hasta un 4 %



James Watt (1736-1819)Transforma el desarrollo de la máquina de vapor, de un proyectotecnológico, a una forma viable y económica de producir energía



Comparación de las máquinas de Newcomen y Watt

Máquina de WattMáquina de Newcomen



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Caldera

Motor

Válvula deadmisión

Eje desalida

Velocidadmedida

Reguladorcentrífugode bolas

Incorporación del regulador centrífugo de bolas

En 1868, solo en Inglaterra, hay más de 75.000 reguladores en funcionamiento.





La firma Boulton & Watt

En 1784 patentan la locomotora de vapor

Se constituye en 1775 para construir

máquinas de vapor en el Soho Foundry en

Smethwick, cerca de Birmingham. La firma

pasó a sus dos hijos en 1800 y permanece

más de 120 años. Todavía en 1895

construían máquinas de vapor.

La máquina más antigua de la firma es

la Smethwick Engine. En 1785

construyen la 1ª máquina de vapor

rotatoria para moler malta en la

cervecería Whitbread en Londres.



James Watt(1736-1819)

Mathew Boulton (1728-1809)

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Máquina de vapor, de la Fábrica Nacional de Moneda y TimbreETSII de Madrid (UPM)

Balancín

Reguladorde Watt

Volante

Cilindro

Biela

Caja de válvulas

Barra del pistón





1. Proporcionaba control de velocidad en un único punto de operación

2. Funcionaba en un rango pequeño de velocidades

3. Precisaba de un mantenimiento cuidadoso

4. Presentaba una tendencia creciente a oscilar: esto es, la velocidadde la máquina de vapor variaba cíclicamente con el tiempo

5. Este fenómeno también había aparecido en los mecanismos usadospara regular la velocidad de los telescopios astronómicos

Inconvenientes del regulador de Watt1ª historia de éxito: el regulador de Watt


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El problema atrajo la atención de J. C. Maxwell

J. C. Maxwell1831-1879

1868 Maxwell publica su trabajo “On Governors”La estabilidad de un sistema es un problema algebraico.Que está relacionado con la posición de las raíces deuna ecuación polinomial. El objetivo era determinar laestabilidad sin necesidad de calcular las raíces

Maxwell lo resuelve para polinomios de grado n ≤ 4.


E. J. Routh1831-1907

El problema lo resuelve E. RouthRouth gana en 1876 el “Adams Prize” y al presentar sutrabajo en la London Math. Society comienza diciendo:

“Ha venido recientemente a mi atención que mi buen amigoJames Clerk Maxwell ha tenido dificultades con un problemarelativamente trivial ...”




Adams Smith (1736-1819)

Jean B. Colbert (1619-1683)

Conexiones con el campo de la política económica

El mercantilismo, preconizado especial-mente por Colbert, enseña que para unanación el camino hacia la prosperidad esuna planificación cuidadosa de su políticaeconómica, dirigida centralmente por polí-ticos de gran competencia.

El sistema económico del liberalismo,formulado en 1776 por Adam Smith en suobra “La riqueza de las naciones” se basabaen el postulado de “dejar hacer”.

Mercantilismo ↔ Liberalismo

Autómata ↔ Control por realimentación


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• Introducción




• Dos historias de éxito de la realimentación– El regulador de Wat



• Conclusiones

Contenido



Un problema técnico importante en la telefonía de larga distancia

2ª historia de éxito: el amplificador realimentado

La atenuación en el cable de transmisión

1906 Lee de Forest crea el tubo amplificador tríodo

1915 Enlace telefónico New York - San Francisco

• 3.000 millas

• Línea áerea de cobre (500 kg/milla)

• Frecuencia de corte de 1000 Hz

• Atenuación de 60 db

• Se reduce a 16 db utilizando 6 amplificadores de repetición

• 130.000 postes telefónicos

• Una llamada de 3 minutos costaba 20$

• La red telefónica se transformaba en una máquina


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Dpto. de Ingeniería

AT&T

Dpto. de IngenieríaWestern Electric

Investigaciónfundamental

Investigaciónde productos

BTL

3.600 empleados que incluían a 2.000 científicos e ingenieros

Solo en 1925 la “Bell System” tuvo 800.000 nuevos abonados


2ª historia de éxito: el amplificador realimentadoLa creación del Bell Technical Labs (BTL) en 1925



1ª alternativa: Poner más conversaciones en una única línea

Multiplexación de las señales con portadora Þ mayor atenuación Þ más repetidores

2ª alternativa: Aumentar el número de líneas

Transmisión por cable Þ mayor atenuación Þ más repetidores

Sistema Repetidores

1er TC 6

Portadora 40

Cable 200

Portadora + Cable 600


2ª historia de éxito: el amplificador realimentadoEl objetivo era aumentar capacidad y reducir coste

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Tensiónde rejilla

Corriente enel anodo

Esta no linealidad introduce distorsión y origina dos problemas

1. Producción de ármonicos Þ entremezclado de las conversaciones2. Al aumentar los repetidores Þ aumenta la distorsión total Þ

conversación ininteligible


2ª historia de éxito: el amplificador realimentadoLa característica de los tubos de vacío no era lineal



A la búsqueda de un amplificador lineal

Entra en escena Harold S. Black

H. S. Black1898-1983

• Natural de Massachusetts

• En 1921 se gradúa en Ingeniería Eléctrica en WPI

• En 1922 comienza a trabajar en el departamento de tubos

de vacío de Western Electric

Black se plantea el problema en términos de señales:

Salida del amplificador = Señal pura + Distorsión

El problema se transforma en como separar ambas señales y quedarsesolo con la componente de señal pura



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La solución en el ferry Lackwana

El 6-VIII-1927 en su viaje matinal para ir al trabajo

Black se hace el siguiente razonamiento:

“Si la ganancia del amplificador la reducimos en una

determinada cantidad y esa misma cantidad la

realimentamos a la entrada entonces la linealidad se

podrá mejorar sustancialmente y la distorsión se

reducirá en el mismo factor por el que se disminuye la

ganancia”





A

F

d

r e Ae

-

y-

+ + FyreAey-=

= GrAF1Ary =+

=Þ

F1

AFAG =»1AF >> Þsi

si d = 0

si d ≠ 0AF1d

AF1Ary

+-

+=

Cuando AF aumenta la conducta del sistema se hace más dependiente de laganancia de realimentación (F) y menos del resto del sistema (A)

1) Resistencia a la variación de los parámetros internos

2) Resistencia a las perturbaciones en la salida

3) Mejora la fidelidad de la respuesta

AA

AF11

GG D

+»

D

AF11

dy

+=

¶¶

F1G =


2ª historia de éxito: el amplificador realimentadoUn análisis sencillo

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• Hacia 1932 Black y su equipo podían construir amplificadores que funcionabanrazonablemente bien.

• Sin embargo presentaban una tendencia a inestabilizarse.

• Algunos lo hacían cuando aumentaba la ganancia del lazo del amplificadorrealimentado, lo cual se podía esperar.

• Otros manifestaban estas características cuando la ganancia disminuía y estoera completamente inesperado.

• Situación análoga a la vista con los reguladores del siglo XIX, un dispositivopráctico exhibía una conducta misteriosa

• Lo resuelve H. Nyquist, quien en 1932 publica “Regeneration Theory” quemarca el nacimiento de la Automática como disciplina científica

Un problema con los amplificadores realimentados2ª historia de éxito: el amplificador realimentado




La génesis del amplificador realimentado

1. Agosto de 1927: Black inventa el amplificador realimentado

2. Agosto de 1928: Black presenta su patente a la oficina de patentesamericana

3. Julio de 1932: Nyquist publica “Regeneration theory”

4. Enero de 1934: Black publica “Stabilized Feedback Amplifiers”

5. Diciembre de 1937: La oficina de patentes americana aprueba lapropuesta presentada por Black 9 años antes (U.S. Patent 2 102671)



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• Introducción








• Conclusiones

Contenido



El sociólogo Louis Wirth introduce en 1937 lanoción de interdisciplinariedad.

Interdisciplinariedad de la realimentación


L. Wirth1897-1952

Desarrollo científico

Fragmentación Yuxtaposición

Interdisciplinariedad

Þ

La interdisciplinariedad del concepto de realimentación tiene su origenen los acontecimientos que se producen durante la 2ª Guerra Mundial.

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La OSRD1 de los EEUU focalizó sus esfuerzos y recursos en la búsquedade soluciones de dos problemas que consideraban estratégicos:

1. El proyecto Manhattan

2. Cañones antiaéreos

Robert Oppenheimer

Norbert Wiener

N. Wiener1894-1964

(1) Office of Scientific Research and Development

• 10 años ‘La Teoría de la Ignorancia’

• 16 años se gradúa en Harvard

• 19 años PhD por Harvard

• Profesor de Matemáticas en el MIT

• En 1948 publica Cybernetics

J. Bigelow1913-2003



telemetría óptica

batería de cañones antiaéreos

radar de seguimiento y alcance

posición predicha del blanco

dirección del tiro

cables de transmisión de datos

bombardero de ataque

Actuación

Percepción



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Terminada la 2ª Guerra Mundial, Wiener públicamente proclamó quenunca mas participaría en proyectos de naturaleza militar.

Rosenblueth, A., Wiener, N., Bigelow, J. (1943): Behavior, purpose and teleology. Philosophy Science, 10, 18–24

A. Rosenblueth1900-1970

El encuentro de Wiener y Rosenblueth

Rosenblueth había estado trabajando durante añosen comprender la naturaleza de la ataxia.

En sus conversaciones con Rosenblueth, Wienerse da cuenta que es posible explicar este desordenbiológico aplicando las mismas ideas utilizadas enla construcción del cañón antiaéreo.

Wiener y Rosenblueth sugieren que la razón de que las personas sufran deataxia se debe a que hay un retardo en su mecanismo de realimentación.



Walter PittsMatemático

Ralpf GerardNeurofisiologo

Geoge EvelynEcología

Heinrich KlüwerPsicología

Paul LaszarfeldSociología

Kurt LewinPsicología

John von Neuman Matemático

Leonard SavageMatemático

Norbert WienerMatemático

Henry BrosinPsiquiatría

Heinz von FoersterPsiquiatría

Theodore SchneirlsPsicología

Lawrance FrankSociología

Warren McCullochNeurofisiologo

M. Mead-G. BatesonAntropología

Arturo RosenbluethFisiología

Julian BigelowIng. Eléctrica

Rafael LorenteNeurofisiología

Hans L. TeuberPsicología


Heims, S. J. (1991): The Cybernetics Group, MIT Press, Cambridge, MA

Las “reuniones Macy” (1946-1953)

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N. Wiener publica en 1948 su libro Cibernética

En 1948 Wiener encapsuló el resultado de muchos de

estos enfoques acerca de los lazos de realimentación

y causalidad circular en sistemas auto-regulados en

un libro seminal que tituló "Cibernética o el control y

comunicación en animales y máquinas".

Se puede considerar formalmente la publicación de

este libro como el comienzo de la cibernética como

disciplina.

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Ingeniería

Economía

Físicas

Química

BiologíaSociología

Educación

Psicología

Interdisciplinariedadde la

realimentación





7Diferentesformas de

aprendizaje

6Expectativas

elevadas

5Tiempo

a las tareasrelevantes

4Realimentación

a tiempo

3Aprendizaje

activo

2Cooperación

entrealumnos

1Contactoprofesoralumno

Los 7 principios de la docencia de calidad

Enseñar: (Del lat. vulg. Insignare)Mostrar o exponer algo, para que sea visto y apreciado.

Educación: Instrucción por medio de la acción docente.

Aprender: (Del lat. Apprehen-dere). Adquirir conocimiento dealgo por medio del estudio o de laexperiencia.

• A. W. Chickering and Z. F. Gamson, 1987


Realimentación en educación

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Objetivos de aprendizaje

Estudiante

Logros en el aprendizaje

Medios de evaluación(realimentación

estudiante – profesor)

Profesor

Acciones de enseñanza(realimentación

profesor – estudiante)

Tipos de realimentación generados entre profesor y estudiante

Realimentación en educación




• Introducción








• Conclusiones

Contenido

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• Emerge como una disciplina crucial en apenas 75 años

• Desarrollo muy dinámico y motivador

• Trasciende las fronteras de las ingenierías tradicionales

• Son sistemas de “misión crítica”

• “Tecnología oculta”

• Su utilización es vital en nuestra sociedad

Conclusiones


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