Archivo de agosto, 2013
El diseño de sistemas de control es un ejemplo específico de diseño en ingeniería. Otra vez, el objetivo del diseño en ingeniería de control es obtener la configuración, especificaciones e identificación de los parámetros claves de un sistema propuesto para satisfacer una necesidad real.
El primer paso en el proceso de diseño consiste en establecer los objetivos del sistema. Por ejemplo, se puede decir que el objetivo es controlar la velocidad de un motor de manera precisa. El segundo paso es identificar las variables que se desean controlar (por ejemplo, la velocidad del motor). El tercer paso es escribir las especificaciones en función de la precisión que se debe alcanzar. Esta precisión de control requerida conducirá entonces a la identificación de un sensor para medir la variable controlada.
Como diseñadores, hay que proceder al primer intento para configurar un sistema que tenga el comportamiento de control deseado. La configuración del sistema normalmente consistirá de un sensor, el proceso bajo control, un actuador y un conrolador. El siguiente paso consiste en identificar un candidato como actuador. Esto dependerá, por supuesto, del proceso, pero la actuación escogida debe ser capaz de ajustar de forma efectiva el comportamiento del proceso, por ejemplo, si se desea controlar la velocidad de rotación de un volante, se seleccionará un motor como actuador. El sensor, en este caso, deberá ser capaz de medir de manera precisa la velocidad. Se obtiene entonces un modelo para cada uno de estos elementos.
El paso siguiente es la selección de un controlador, que con frecuencia consiste en un amplificador de suma que compensará la respuesta deseada y y la respuesta real, para luego transferir esta señal de medida del error a un amplificador.
El paso final en el proceso de diseño es el ajuste de los parámetros del sistema con el fin de lograr el comportamiento deseado. Si se puede conseguir el comportamiento deseado ajustando los parámetros se finalizará el diseño y se procederá a documentar los resultados. Si no es así, se necesitará establecer una nueva configuración del sistema y quizás seleccionar un actuador y un sensor mejores. A continuación se repetirán los pasos del diseño hasta que se cumplan las especificaciones o hasta que se decida que éstas son demasiado exigentes y deberían relajarse.
Las especificaciones de comportamiento describirán cómo debería funcionar el sistema en lazo cerrado e incluirán (1) buena regulación frente a las perturbaciones, (2) respuesta deseable a las órdenes de entrada, (3) señales realistas del actuador, (4) baja sensibilidad y (5) robustez.
En resumen, el problema de diseño del controlador consiste en lo siguiente: Dado un modelo del sistema que se desea controlar (incluyendo sus sensores y actuadores) y un conjunto de objetivos de diseño, encontrar un controlador apropiado o determinar si no existe ninguno. Como sucede con la mayoría de los diseños en ingeniería, el diseño de un sistema de control con realimentación es un proceso iterativo y no lineal. Un buen diseñador debe considerar los fundamentos físicos de la planta que está bajo control, la estrategia de diseño del control, la arquitectura del controlador (esto es, qué tipo de controlador se va a emplear) y estrategias eficaces para la sintonía del controlador. Además, una vez finalizado el diseño, el controlador se implementa con frecuencia con hardware, por lo que pueden aparecer problemas de comunicación con dicho hardware. Cuando se consideran conjuntamente, estas diferentes fases del diseño de los sistemas de control hacen que la tarea de diseñar e implementar un sistema de control resulte bastante ardua.
El diseño es la tarea central del ingeniero. Es un proceso complejo en el que la creatividad y el análisis desempeñan un papel fundamental.
Diseño es el proceso de concebir o inventar las formas, partes y detalles de un sistema para lograr un objetivo específico.
Se puede pensar en la actividad de diseño como la planificación para el nacimiento de un producto o sistema particular. Diseño es un acto innovador donde el ingeniero creatívamente utiliza conocimiento y materiales para especificar la forma, función y contenido material del sistema. Los pasos del diseño son: (1) determinar una necesidad que surge de los deseos de varios grupos, que cubren el espectro que va desde los creadores de políticas públicas hasta los consumidores; (2) especificar en detalle cuál debe ser la solución a esa necesidad y dar forma a esos deseos; (3) desarrollar y evaluar diferentes soluciones alternativas para cumplir estas especificaciones, y (4) decidir cuál de ellas debe ser diseñada en detalle y fabricada.
Un factor importante en un diseño realista es la limitación de tiempo. El diseño tiene lugar bajo planificaciones impuestas que eventualmente establecen un diseño que puede no ser el ideal pero que se considera suficientemente bueno. En mucho casos, el tiempo es la única ventaja competitiva.
Un gran reto para el diseñador es escribir las especificaciones para el producto técnico. Especificaciones son sentencias que explícitamente dicen lo que el dispositivo o producto es y hace. El diseño de sistemas técnicos tiene como finalidad lograr especificaciones de diseño apropiadas y descansa en cuatro características: complejidad, compromisos, desconocimiento en el diseño y riesgo.
La complejidad del diseño es el resultado del amplio rango de herramientas, temas y conocimientos que hay que utilizar en el proceso. El gran número de factores que hay que considerar ilustra la complejidad de la actividad de especificación del diseño, no solamente en asignar a estos factores su importancia relativa en un diseño particular sino también en darles contenido en forma numérica, escrita o en ambas.
El concepto de compromiso entraña la necesidad de hacer un juicio respecto de lo que se puede hacer entre dos criterios que están en conflicto y que ambos son deseables. El proceso de diseño requiere un compromiso eficiente entre criterios deseables pero que compiten entre sí.
Al hacer un dispositivo técnico, el producto final generalmente no sale igual que el que había sido originalmente visualizado. Por ejemplo, la imagen del problema que se está resolviendo no es lo que aparece en la descripción escrita y finalmente en las especificaciones. Tales diferencias son intrínsecas en la progresión desde una idea abstracta hasta su realización.
Esta incapacidad para estar absolutamente seguros respecto de las predicciones del comportamiento de un objetivo técnico conduce a grandes incertidumbres acerca de los efectos reales de los dispositivos y productos diseñados. Estas incertidumbres se engloban en la idea de consecuencias no previstas u riesgos. El resultado es que diseñar un sistema es una actividad que tiene riesgo.
Complejidad, compromiso, desconocimiento y riesgo son inherentes al diseño de nuevos sistemas y dispositivos. Aunque se pueden minimizar al considerar todos los efectos de un diseño dado, están siempre presentes en el proceso de diseño.
Dentro del diseño de ingeniería, hay una diferencia fundamental entre los dos grandes tipos de pensamiento que deben tener lugar: análisis y síntesis. La atención se centra sobre los modelos de los sistemas físicos que se analizan para proporcionar nuevas perspectivas y que indican las direcciones a mejorar. Por otra parte, se denomina síntesis al proceso por el cual se crean estas nuevas configuraciones físicas.
El diseño es un proceso que puede partir en muchas direcciones antes de encontrar la deseada. Es un proceso deliberado por el cual un diseñador crea algo nuevo como respuesta a una necesidad reconocida tomando en consideración restricciones realistas. El proceso de diseño es inherentemente iterativo – hay que comenzar por algún punto -. Los buenos ingenieros aprenden a simplificar adecuadamente los sistemas complejos con el objetivo del diseño y el análisis. Es inevitable que exista desconocimiento entre el sistema físico complejo y el modelo del diseño. Los desconocimientos en el diseño son intrínsecos en la progresión desde el concepto inicial al producto final. Se sabe intuitivamente que es más fácil mejorar un concepto inicial incrementalmente que intentar crear un diseño final desde el principio. En otras palabras, el diseño de ingeniería no es un proceso lineal. Es un proceso iterativo, no lineal y creativo.
El método principal para los diseños de ingeniería más efectivos es el análisis y optimización de los parámetros. El análisis de parámetros está basado en los siguientes pasos: (1) identificación de los parámetros clave, (2) generación de la configuración del sistema y (3) evaluación de lo bien que la configuración cumple las necesidades. Estos tres pasos forman un lazo iterativo. Una vez que se identifican los parámetros claves y se sintetiza la configuración, el diseñador puede optimizar los parámetros. Típicamente, el diseñador se esfuerza en identificar un conjunto limitado de parámetros que hay que ajustar.
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Datos Generales
Jorge Mírez es Ing. Mecánico Electricista en la Universidad Nacional "Pedro Ruíz Gallo (www.unprg.edu.pe) y Maestro en Ciencias con mención en Física en la Universidad Nacional de Ingeniería - UNI (www.uni.edu.pe). Ambas universidades en Perú.
Sus intereses son la docencia, investigación, desarrollo de proyectos. Brindo asesoramiento y capacitación a empresas, profesionales y estudiantes.
Me dedico a aplicar Matlab/Simulink a campos como: economía, matemática, física, teoría de control, ingeniería mecánica y eléctrica, energías renovables
Matlab/Simulink and Control Theory [Jorge Mírez] 