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Prefacio

La Ingeniería del Control Automático juega un papel fundamental en los sistemas y procesos tecnológicos modernos. Los beneficios que se obtienen con un buen control pueden llegar a ser enormes. Estos beneficios incluyen productos de mejor calidad, menor consumo de energía, minimización de desechos, mayores niveles de seguridad y reducción de la polución.

No obstante lo anterior, la dificultad con el tema es que algunos de los aspectos más avanzados de la teoría requieren una base matemática sofisticada. Se ha planteado, y con razón, que la teoría matemática de los sistemas es uno de los logros más significativos del siglo veinte. Sin embargo, su impacto práctico sólo se puede medir por los beneficios que trae en sus aplicaciones. Por esas razones, en este libro, hemos intentado generar un equilibrio que pone un énfasis fuerte en el diseño, actividad donde esos beneficios, o la ausencia de ellos, es más claramente percibida.

Una fracción importante de la motivación que han tenido los autores para escribir este libro surge de su experiencia en varios proyectos industriales que han requerido el diseño de sistemas de control. En un típico problema industrial, uno debe investigar el comportamiento dinámico de aspectos térmicos y fluídricos, enfrentar los problemas que surgen de tasas de muestreo no uniformes en equipos con PLC's, integrar sistemas de instrumentación con redes y protocolos de telecomunicaciones, crear relaciones de confianza con los operadores de las plantas, investigar mecanismos de transferencia de comandos sin saltos para probar diseños en plantas potencialmente peligrosas, etc. En resumen, hemos experimentado el entusiasmo y las frustraciones diarias, los retrocesos y los progresos que surgen al introducir control avanzado en las industrias. Esa no es una tarea fácil. Además, el éxito en este tipo de proyectos descansa en un amplio rango de habilidades multidisciplinarias. Sin embargo, es un esfuerzo gratificante para quienes se empeñan en esta actividad.

Una de las metas de este libro es compartir aquel entusiasmo con los lectores. Esperamos contribuir a desarrollar en nuestros lectores, y en particular en los estudiantes, un conjunto de habilidades y actitudes que los equiparán mejor para enfrentar los desafíos de los problemas de diseño del mundo real. Así, este libro, intenta contribuir a la reforma profunda que está experimentando la enseñanza de la Ingeniería del Control Automático en todo el mundo.

Sin enbargo, los cambios de orientación y la reforma de los curricula no se hace sólo con nuevos libros; en realidad, la deben llevar adelante las personas: los estudiantes, los profesores, los investigadores, los ingenieros, los evaluadores de publicaciones y quienes asignan recursos para la investigación. Tambiés es empujada por las necesidades de la industria, las aspiraciones de la sociedad y las presiones del mercado. Además, para que estos esfuerzos sean eficientes y sustentables, la comunidad de quienes hacen la ingeniería del control necesita transmitir sus experiencia a través de textos, publicaciones, simulaciones y recursos basados en la red mundial. Así, siempre habrá necesidad para enfoques diferentes y complementarios. En este contexto, los autores creen que este libro habrá tenido éxito si contribuye, en alguna medida, a revitalizar el interés de los estudiantes en la estimulante disciplina de la Ingeniería del Control Automático.

Deseamos enfatizar que éste no es un manual de como hacer las cosas. Por el contrario, hemos tratado de hacer una presentación amplia, aunque condensada, de una ingeniería de control rigurosa. Utilizamos la matemáticas como un medio para modelar el proceso, para analizar sus propiedades cuando opera bajo realimentación, para sintetizar un controlador y para dimensionar y describir la compleja trama de compromisos y restricciones que tiene un problema particular.

En forma más específica, creemos que el éxito en los proyectos de control depende de dos ingredientes claves: (i) una comprensión amplia del proceso mismo, obtenida a través del estudio de los aspectos fenomenológicos más relevantes (físicos, químicos, etc.); y (ii) el dominio de los conceptos fundamentales de la teoría de señales, sistemas y de realimentación. El primer ingrediente típicamente toma más del cincuenta por ciento del esfuerzo, y es una componente inevitable en el ciclo completo de diseño. Sin embargo, hemos considerado poco práctico dar detalles de todos los procesos a los que se puede aplicar el control automático, ya que ellos cubren muy diversas categorías, incluyendo plantas químicas, sistemas electromecánicos, robots, centrales de generación de energía, industria del acero, de alimentos, pulpa y papel, etc. Por ello, hemos preferido enfatizar aquellos aspectos fundamentales de la ingeniería del control, que son de interés común para todas las aplicaciones. Hemos dejado para los lectores el complementar esto con el estudio necesario para la aplicación particular que sea de su interés. En síntesis, este libro está enfocado al segundo ingrediente de la ingeniería del control. Ello no es obstáculo para que hayamos incluido detalles de varios ejemplos de aplicaciones industriales reales, de modo de dar asíun contexto adecuado a los métodos e ideas que se exponen en este libro.

El contenido de este libro se centra en los sistemas de tiempo continuo. Sin embargo, hemos incluido también un tratamiento a fondo del control de tiempo discreto, ya que los sistemas de control moderno están soportados, usualmente, en hardware digital. Este propósito necesariamente lleva a un libro de gran extensión, lo cual es compensado por la ventaja de disponer de un tratamiento amplio e integrado de los temas de interés. Es inevitable que existan muchos temas especializados que no son cubiertos en este texto; sin embargo, hemos hecho un esfuerzo para proveer bases sólidas sobre las cuales el lector puede construir un estudio personal de aquellos temas especializados de su particular interés.

Los propósitos mayores al escribir un libro son muchos y diversos, en nuestro caso, queremos destacar:

  • Un tratamiento accesible de temas que, siendo rigurosos, tiene interés práctico y aplicabilidad.
  • La introducción temprana de las ideas de diseño, a través de los conceptos de restricciones y compromisos.
  • Numerosos estudios de casos industriales.
  • Un proceso de motivación para estudiar control en interacción con la red.

A nuestro juicio, el diseño es un proceso complejo que requiere juicio e iteración. El problema de diseño está normalmente especificado en forma incompleta, algunas veces pobremente definido, y muchas veces no tiene solución. Un elemento clave en la solución del problema de diseño es la comprensión cabal y profunda de todos aquellos factores que pueden limitar el desempeño de los sistemas de control. Esto nos ha llevado a desarrollar un enfoque del diseño, donde esas restricciones se encuentran integradas. Este tema, como los lectores podrán apreciar, es un tema recurrente a través del libro.

No es nuestro objetivo el explorar hasta sus últimos extremos los aspectos matemáticos, sino más bien, alcanzar un grado de detalle suficiente para que el lector pueda empezar a aplicar las ideas expuestas, a la mayor brevedad posible. Este propósito tiene implícita la suposición que el lector tiene acceso a facilidades computacionales modernas, incluyendo el paquete MATLAB-SIMULINK. Esta suposición nos permite poner énfasis en la ideas fundamentales más que en las herramientas mismas. Cada capítulo incluye ejemplos desarrollados y problemas propuestos para el lector.

El libro está dividido en ocho partes, cuyos contenidos se resumen muy brevemente en lo que sigue:

Part I: The Elements
Esta parte cubre los aspectos básicos de sistemas y señales de tiempo continuo, y es adecuada para un curso introductorio en el tema. Alternativamente, podría constituir lectura previa antes de iniciar un curso de mayor profundidad, basado en las partes que le siguen.

Part II: SISO Control Essentials
En esta parte se trata los aspectos básicos de los sistemas de una entrada y una salida (SISO), incluyendo el ajuste clásico de los controladores PID. Esta parte y la anterior forman lo que se incluye usualmente en un curso básico de control automático.

Part III: SISO Control Design
En esta parte se presentan los aspectos centrales del diseño de sistemas SISO. En nuestra opinión, estas ideas son cruciales para el buen éxito en la solución de problemas prácticos de control. En especial, nos parece que el capítulo sobre restricciones fundamentales debería ser mencionado, cuando sea posible, en todos los cursos introductorios. En esta parte se han incluido otras ideas de amplia ocurrencia en la solución de problemas industriales, como son la arquitectura del control en cascada y el control prealimentado.

Part IV: Digital Computer Control
En esta parte se incluye el material esencial para la comprensión del control digital. El tratamiento de esta parte va más allá de lo que es habitual, al incluir temas como el estudio del comportamiento entre muestras. Aquíademás, se sientan las base para un tratamiento unificado del problema del control, como se observan en las partes siguientes.

Part V: Advanced SISO Control
Esta parte puede servir de base para un segundo curso de control a nivel de pregrado. Está orientada a tratar ideas que, más tarde, se aplicarán en sistemas de varias entradas y varias salidas (MIMO).

Part VI: MIMO Control Essentials
En esta parte se cubren los fundamentos requeridos para un primer curso a nivel de postgrado en control de sistemas MIMO. En particular se incluyen los aspectos básicos de la teoría de sistemas MIMO. Se muestra además como se pueden extender algunas ideas y técnicas SISO para resolver ciertas clases de problemas MIMO.

Part VII: MIMO Control Design
En esta parte se tratan ideas y herramientas que pueden ser usadas en diseño industrial MIMO. Esto incluye la teoría de los reguladores cuadráticos óptimos y el filtraje óptimo. Ambas tiene mucha significación en las aplicaciones. También se incluye un capítulo en control predictivo basado en modelos (MPC). Creemos que este es material importante debido al uso difundido que esta técnica ha alcanzado en el ámbito industrial.

Part VIII: Advanced MIMO Control
Esta parte final del libro puede ser materia de estudio personal. Está orientada a probar la comprensión que los lectores han adquirido en el estudio de las partes precedentes, al presentarles el desafío de temas más avanzados. Alternativamente, los profesores pueden usar esta parte como extensión dela las partes VI y VII en cursos de postgrado de nivel avanzado.

Dos de los autores (Goodwin y Salgado) han dictado, tanto en Australia como en Sudamérica, cursos de pre y postgrado de los tipos mencionados anteriormente, usando como texto guía versiones preliminares de este libro.

El material que aquíse presenta está ilustrado con varios casos industriales en los cuales los autores se han visto directamente involuctrados. Estos estudios de casos han sido realizados, en colaboración con la industria, por el Centre for Integrated Dynamics and Control (CIDAC) (un centro financiado como centro de investigación especial por el gobierno de Australia) en la Universidad de Newcastle o en OMV, una empresa petroquímica de Austria, donde el segundo autor (Graebe) es Gerente de Ingeniería en Control.

El conjunto de proyectos que hemos escogido incluye:

  • Seguimiento de satélites
  • Control de pH
  • Control de una máquian de fundición continua
  • Control de un molino de caña de azúcar
  • Control de una planta de amonia
  • Estimación en una línea de galvanización y zincado
  • Medición BISRA para el control de espesor en laminadoras
  • Compensación de la excentricidad en los rodillos de laminadoras
  • Efecto de retención (hold-up) en laminadoras de acción inversa
  • Control de ondulación en laminadoras de acero
  • Control de vibración

Muchos de estos casos han sido incluidos, e incluso en forma más completa, en la página web asociada a este libro. En esa página se han programdo módulos Java para permitir a los lectores la experimentación con los sistemas, en la forma de un laboratorio virtual. Una segunda ventaja de tener estos estudios de casos reunidos en un solo lugar en la página web es que los problemas de control real sirven de síntesis para apreciar diversos aspectos que resultan difícil de localizar en el libro. La página web proporciona una visión más global de los temas involucrados en el estudio de casos.

Además, en el texto hacemos referencias a sistemas a escala de laboratorio incluyendo el sistema de esfera y plano, un sistemas de estanques acoplados y un péndulo invertido. Cada uno de éstos sirve, en nuestras Universidades, para ilustrar los principios del control automático.

El libro tiene un soporte Internet considerable, ese sitio fue diseñado por Nathan Clement y se puede acceder a él en la dirección URL

http://www.prenhall.com/goodwin

http://csd.newcastle.edu.au/control

Alternativamente, se puede alcanzar a través de las páginas principales de los autores.

Newcastle, Australien
Valparaíso, Chile
Viena, Austria

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