SISTEMA DE CONTROL

Los sistemas de control según la Teoría Cibernética se aplican en esencia para los organismos vivos, las máquinas y las organizaciones. Estos sistemas fueron relacionados por primera vez en 1948 por Norbert Wiener en su obra Cibernética y Sociedad con aplicación en la teoría de los mecanismos de control. Un sistema de control está definido como un conjunto de componentes que pueden regular su propia conducta o la de otro sistema con el fin de lograr un funcionamiento predeterminado, de modo que se reduzcan las probabilidades de fallos y se obtengan los resultados buscados. Hoy en día los procesos de control son síntomas del proceso industrial que estamos viviendo. Estos sistemas se usan típicamente en sustituir un trabajador pasivo que controla una determinado sistema ( ya sea eléctrico, mecánico, etc. ) con una posibilidad nula o casi nula de error, y un grado de eficiencia mucho más grande que el de un trabajador. Los sistemas de control más modernos en ingeniería automatizan procesos en base a muchos parámetros y reciben el nombre de Controladores de Automatización Programables (PAC).

Los sistemas de control deben conseguir los siguientes objetivos:
1. Ser estables y robustos frente a perturbaciones y errores en los modelos.
2. Ser eficiente según un criterio preestablecido evitando comportamientos bruscos e irreales.
Necesidades de la supervisión de procesos
Limitaciones de la visualización de los sistemas de adquisición y control.
Control vs Monitorización
Control software. Cierre de lazo de control.
Recoger, almacenar y visualizar información.
Minería de datos.

Clasificación de los Sistemas de Control según su comportamiento
Definiciones
Supervisión: acto de observar el trabajo Y tareas de otro (individuo o máquina) que puede no conocer el tema en profundidad.
1. Sistema de control de lazo abierto: Es aquel sistema en que solo actúa el proceso sobre la señal de entrada y da como resultado una señal de salida independiente a la señal de entrada, pero basada en la primera. Esto significa que no hay retroalimentación hacia el controlador para que éste pueda ajustar la acción de control. Es decir, la señal de salida no se convierte en señal de entrada para el controlador. Ejemplo 1: el llenado de un tanque usando una manguera de jardín. Mientras que la llave siga abierta, el agua fluirá. La altura del agua en el tanque no puede hacer que la llave se cierre y por tanto no nos sirve para un proceso que necesite de un control de contenido o concentración. Ejemplo 2: Al hacer una tostada, lo que hacemos es controlar el tiempo de tostado de ella misma entrando una variable (en este caso el grado de tostado que queremos). En definitiva, el que nosotros introducimos como parámetro es el tiempo.
Estos sistemas se caracterizan por:

• Ser sencillos y de fácil concepto.

• Nada asegura su estabilidad ante una perturbación.

• La salida no se compara con la entrada.

• Ser afectado por las perturbaciones. Éstas pueden ser tangibles o intangibles.

• La precisión depende de la previa calibración del sistema.

2. Sistema de control de lazo cerrado: Son los sistemas en los que la acción de control está en función de la señal de salida. Los sistemas de circuito cerrado usan la retroalimentación desde un resultado final para ajustar la acción de control en consecuencia. El control en lazo cerrado es imprescindible cuando se da alguna de las siguientes circunstancias:
- Cuando un proceso no es posible de regular por el hombre.
- Una producción a gran escala que exige grandes instalaciones y el hombre no es capaz de manejar.
- Vigilar un proceso es especialmente duro en algunos casos y requiere una atención que el hombre puede perder fácilmente por cansancio o despiste, con los consiguientes riesgos que ello pueda ocasionar al trabajador y al proceso.
Sus características son:

• Ser complejos, pero amplios en cantidad de parámetros.

• La salida se compara con la entrada y le afecta para el control del sistema.

• Su propiedad de retroalimentación.

• Ser más estable a perturbaciones y variaciones internas.

Un ejemplo de un sistema de control de lazo cerrado sería el termotanque de agua que utilizamos para bañarnos. Otro ejemplo sería un regulador de nivel de gran sensibilidad de un depósito. El movimiento de la boya produce más o menos obstrucción en un chorro de aire o gas a baja presión. Esto se traduce en cambios de presión que afectan a la membrana de la válvula de paso, haciendo que se abra más cuanto más cerca se encuentre del nivel máximo.

Tipos de Sistemas de Control

Los sistemas de control son agrupados en tres tipos básicos:
1. Hechos por el hombre. Como los sistemas eléctricos o electrónicos que están permanentemente capturando señales de estado del sistema bajo su control y que al detectar una desviación de los parámetros pre-establecidos del funcionamiento normal del sistema, actúan mediante sensores y actuadores, para llevar al sistema de vuelta a sus condiciones operacionales normales de funcionamiento. Un claro ejemplo de este será un termostato, el cual capta consecutivamente señales de temperatura. En el momento en que la temperatura desciende o aumenta y sale del rango, este actúa encendiendo un sistema de refrigeración o de calefacción.

1.1 Por su causalidad pueden ser: causales y no causales. Un sistema es causal si existe una relación de causalidad entre las salidas y las entradas del sistema, más explícitamente, entre la salida y los valores futuros de la entrada.

1.2 Según el número de entradas y salidas del sistema, se denominan:

1.2.1 De una entrada y una salida o SISO (single input, single output).

1.2.2 De una entrada y múltiples salidas o SIMO (single input, multiple output).

1.2.3 De múltiples entradas y una salida o MISO (multiple input, single output).

1.2.4 De múltiples entradas y múltiples salidas o MIMO (multiple input, multiple output).

1.3 Según la ecuación que define el sistema, se denomina:

1.3.1 Lineal, si la ecuación diferencial que lo define es lineal.

1.3.2 No lineal, si la ecuación diferencial que lo define es no lineal.

1.4 Las señales o variables de los sistema dinámicos son función del tiempo. Y de acuerdo con ello estos sistemas son:

1.4.1 De tiempo continuo, si el modelo del sistema es una ecuación diferencial, y por tanto el tiempo se considera infinitamente divisible. Las variables de tiempo continuo se denominan también analógicas.

1.4.2 De tiempo discreto, si el sistema está definido por una ecuación por diferencias. El tiempo se considera dividido en períodos de valor constante. Los valores de las variables son digitales (sistemas binario, hexadecimal, etc), y su valor solo se conoce en cada período.

1.4.3 De eventos discretos, si el sistema evoluciona de acuerdo con variables cuyo valor se conoce al producirse un determinado evento.

1.5 Según la relación entre las variables de los sistemas, diremos que:

1.5.1 Dos sistemas están acoplados, cuando las variables de uno de ellos están relacionadas con las del otro sistema.

1.5.2 Dos sistemas están desacoplados, si las variables de ambos sistemas no tienen ninguna relación.

1.6 En función de la evolución de las variables de un sistema en el tiempo y el espacio, pueden ser:

1.6.1 Estacionarios, cuando sus variables son constantes en el tiempo y en el espacio.

1.6.2 No estacionarios, cuando sus variables no son constantes en el tiempo o en el espacio.

1.7 Según sea la respuesta del sistema (valor de la salida) respecto a la variación de la entrada del sistema:

1.7.1 El sistema se considera estable cuando ante una variación muy rápida de la entrada se produce una respuesta acotada de la salida.

1.7.2 El sistema se considera inestable cuando ante una entrada igual a la anteriormente se produce una respuesta no acotada de la salida.

1.8 Si se comparan o no, la entrada y la salida de un sistema, para controlar esta última, el sistema se denomina:

1.8.1 Sistema en lazo abierto, cuando la salida para ser controlada, no se compara con el valor de la señal de entrada o señal de referencia.

1.8.2 Sistema en lazo cerrado, cuando la salida para ser controlada, se compara con la señal de referencia. La señal de salida que es llevada junto a la señal de entrada, para ser comparada, se denomina señal de feedback o de retroalimentación.

1.9 Según la posibilidad de predecir el comportamiento de un sistema, es decir su respuesta, se clasifican en:

1.9.1 Sistema determinista, cuando su comportamiento futuro es predecible dentro de unos límites de tolerancia.

1.9.2 Sistema estocástico, si es imposible predecir el comportamiento futuro. Las variables del sistema se denominan aleatorias.

2. Naturales, incluyendo sistemas biológicos. Por ejemplo, los movimientos corporales humanos como el acto de indicar un objeto que incluye como componentes del sistema de control biológico los ojos, el brazo, la mano, el dedo y el cerebro del hombre. En la entrada se procesa el movimiento y la salida es la dirección hacia la cual se hace referencia.
3. Cuyos componentes están unos hechos por el hombre y los otros son naturales. Se encuentra el sistema de control de un hombre que conduce su vehículo. Éste sistema está compuesto por los ojos, las manos, el cerebro y el vehículo. La entrada se manifiesta en el rumbo que el conductor debe seguir sobre la vía y la salida es la dirección actual del automóvil. Otro ejemplo puede ser las decisiones que toma un político antes de unas elecciones. Éste sistema está compuesto por ojos, cerebro, oídos, boca. La entrada se manifiesta en las promesas que anuncia el político y la salida es el grado de aceptación de la propuesta por parte de la población.
4. Un sistema de control puede ser neumático, eléctrico, mecánico o de cualquier tipo, su función es recibir entradas y coordinar una o varias respuestas según su lazo de control (para lo que está programado).
5. Control Predictivo, son los sistemas de control que trabajan con un sistema predictivo, y no activo como el tradicional ( ejecutan la solución al problema antes de que empiece a afectar al proceso). De esta manera, mejora la eficiencia del proceso contrarrestando rápidamente los efectos.

Características de un Sistema de Control

1. Señal de Corriente de Entrada: Considerada como estímulo aplicado a un sistema desde una fuente de energía externa con el propósito de que el sistema produzca una respuesta específica.
2. Señal de Corriente de Salida: Respuesta obtenida por el sistema que puede o no relacionarse con la respuesta que implicaba la entrada.
3. Variable Manipulada: Es el elemento al cual se le modifica su magnitud, para lograr la respuesta deseada. Es decir, se manipula la entrada del proceso.
4. Variable Controlada: Es el elemento que se desea controlar. Se puede decir que es la salida del proceso.
5. Conversión: Mediante receptores se generan las variaciones o cambios que se producen en la variable.
6. Variaciones Externas: Son los factores que influyen en la acción de producir un cambio de orden correctivo.
7. Fuente de Energía: Es la que entrega la energía necesaria para generar cualquier tipo de actividad dentro del sistema.
8. Retroalimentación: La retroalimentación es una característica importante de los sistemas de control de lazo cerrado. Es una relación secuencial de causas y efectos entre las variables de estado. Dependiendo de la acción correctiva que tome el sistema, este puede apoyar o no una decisión, cuando en el sistema se produce un retorno se dice que hay una retroalimentación negativa; si el sistema apoya la decisión inicial se dice que hay una retroalimentación positiva.
9. Variables de fase: Son la variables que resultan de la transformación del sistema original a la forma canónica controlable. De aqui se obtiene también la matriz de controlabilidad cuyo rango debe ser de orden completo para controlar el sistema.

INFORMATICA

La Informática es la ciencia aplicada que abarca el estudio y aplicación del tratamiento automático de la información, utilizando sistemas computacionales, generalmente implementados como dispositivos electrónicos. También está definida como el procesamiento automático de la información.
Conforme a ello, los sistemas informáticos deben realizar las siguientes tres tareas básicas:

• Entrada: captación de la información.
• Proceso: tratamiento de la información.
• Salida: transmisión de resultados.

En los inicios del procesado de información, con la informática sólo se facilitaban los trabajos repetitivos y monótonos del área administrativa. La automatización de esos procesos trajo como consecuencia directa una disminución de los costes y un incremento en la productividad.
En la informática convergen los fundamentos de las ciencias de la computación, la programación y metodologías para el desarrollo de software, la arquitectura de computadores, las redes de computadores, la inteligencia artificial y ciertas cuestiones relacionadas con la electrónica. Se puede entender por informática a la unión sinérgica de todo este conjunto de disciplinas.
Esta disciplina se aplica a numerosas y variadas áreas del conocimiento o la actividad humana, como por ejemplo: gestión de negocios, almacenamiento y consulta de información, monitorización y control de procesos, industria, robótica, comunicaciones, control de transportes, investigación, desarrollo de juegos, diseño computarizado, aplicaciones/herramientas multimedia, medicina, biología, física, química, meteorología, ingeniería, arte, etc. Una de la aplicaciones más importantes de la informática es proveer información en forma oportuna y veraz, lo cual, por ejemplo, puede tanto facilitar la toma de decisiones a nivel gerencial (en una empresa) como permitir el control de procesos críticos.
Actualmente es difícil concebir un área que no use, de alguna forma, el apoyo de la informática. Ésta puede cubrir un enorme abanico de funciones, que van desde las más simples cuestiones domésticas hasta los cálculos científicos más complejos.
Entre las funciones principales de la informática se cuentan las siguientes:

• Creación de nuevas especificaciones de trabajo.
• Desarrollo e implementación de sistemas informáticos.
• Sistematización de procesos.
• Optimización de los métodos y sistemas informáticos existentes.

Contenido [ocultar]

El vocablo informática proviene del francés informatique, acuñado por el ingeniero Philippe Dreyfus para su empresa «Société d'Informatique Appliquée» en 1962. Pronto adaptaciones locales del término aparecieron en italiano, español, rumano, portugués y holandés, entre otras lenguas, refiriéndose a la aplicación de las computadoras para almacenar y procesar la información.
Es un acrónimo de las palabras information y automatique (información automática). En lo que hoy día conocemos como informática confluyen muchas de las técnicas, procesos y máquinas (ordenadores) que el hombre ha desarrollado a lo largo de la historia para apoyar y potenciar su capacidad de memoria, de pensamiento y de comunicación.
En el Diccionario de la Real Academia Española se define informática como:^[1]

Conjunto de conocimientos científicos y técnicas que hacen posible el tratamiento automático de la información por medio de ordenadores.

Conceptualmente, se puede entender como aquella disciplina encargada del estudio de métodos, procesos, técnicas, desarrollos y su utilización en ordenadores (computadoras), con el fin de almacenar, procesar y transmitir información y datos en formato digital.
En 1957 Karl Steinbuch acuñó la palabra alemana Informatik en la publicación de un documento denominado Informatik: Automatische Informationsverarbeitung (Informática: procesamiento automático de información). En ruso, Alexander Ivanovich Mikhailov fue el primero en utilizar informatika con el significado de «estudio, organización, y la diseminación de la información científica», que sigue siendo su significado en dicha lengua.
En inglés, la palabra Informatics fue acuñada independiente y casi simultáneamente por Walter F. Bauer, en 1962, cuando Bauer cofundó la empresa denominada «Informatics General, Inc.». Dicha empresa registró el nombre y persiguió a las universidades que lo utilizaron, forzándolas a utilizar la alternativa computer science. La Association for Computing Machinery, la mayor organización de informáticos del mundo, se dirigió a Informatics General Inc. para poder utilizar la palabra informatics en lugar de computer machinery, pero al empresa se negó. Informatics General Inc. cesó sus actividades en 1985, pero para esa época el nombre de computer science estaba plenamente arraigado. Actualmente los angloparlantes utilizan el término computer science, traducido a veces como «Ciencias de la computación», para designar tanto el estudio científico como el aplicado; mientras que designan como information technology (IT) o data processing, traducido a veces como «tecnologías de la información», al conjunto de tecnologías que permiten el tratamiento automatizado de información.

ELECTRONICA

La electrónica es la rama de la física y especialización de la ingeniería, que estudia y emplea sistemas cuyo funcionamiento se basa en la conducción y el control del flujo microscópico de los electrones u otras partículas cargadas eléctricamente.
Utiliza una gran variedad de conocimientos, materiales y dispositivos, desde los semiconductores hasta las válvulas termoiónicas. El diseño y la construcción de circuitos electrónicos para resolver problemas prácticos forma parte de la electrónica y de los campos de la ingeniería electrónica, electromecánica y la informática en el diseño de software para su control. El estudio de nuevos dispositivos semiconductores y su tecnología se suele considerar una rama de la física, más concretamente en la rama de ingeniería de materiales.

Aplicaciones de la electrónica

La electrónica desarrolla en la actualidad una gran variedad de tareas. Los principales usos de los circuitos electrónicos son el control, el procesado, la distribución de información, la conversión y la distribución de la energía eléctrica. Estos dos usos implican la creación o la detección de campos electromagnéticos y corrientes eléctricas. Entonces se puede decir que la electrónica abarca en general las siguientes áreas de aplicación:

• Electrónica de control
• Telecomunicaciones
• Electrónica de potencia

Sistemas electrónicos

Un sistema electrónico es un conjunto de circuitos que interactúan entre sí para obtener un resultado. Una forma de entender los sistemas electrónicos consiste en dividirlos en las siguientes partes:

1. Entradas o Inputs – Sensores (o transductores) electrónicos o mecánicos que toman las señales (en forma de temperatura, presión, etc.) del mundo físico y las convierten en señales de corriente o voltaje. Ejemplo: El termopar, la foto resistencia para medir la intensidad de la luz, etc.
2. Circuitos de procesamiento de señales – Consisten en piezas electrónicas conectadas juntas para manipular, interpretar y transformar las señales de voltaje y corriente provenientes de los transductores.
3. Salidas o Outputs – Actuadores u otros dispositivos (también transductores) que convierten las señales de corriente o voltaje en señales físicamente útiles. Por ejemplo: un display que nos registre la temperatura, un foco o sistema de luces que se encienda automáticamente cuando este obscureciendo.

Básicamente son tres etapas: La primera (transductor), la segunda (circuito procesador) y la tercera (circuito actuador).
Como ejemplo supongamos un televisor. Su entrada es una señal de difusión recibida por una antena o por un cable. Los circuitos de procesado de señales del interior del televisor extraen la información sobre el brillo, el color y el sonido de esta señal. Los dispositivos de salida son un tubo de rayos catódicos que convierte las señales electrónicas en imágenes visibles en una pantalla y unos altavoces. Otro ejemplo puede ser el de un circuito que ponga de manifiesto la temperatura de un proceso, el transductor puede ser un termocouple, el circuito de procesamiento se encarga de convertir la señal de entrada en un nivel de voltaje (comparador de voltaje o de ventana) en un nivel apropiado y mandar la información decodificándola a un display donde nos dé la temperatura real y si esta excede un límite preprogramado activar un sistema de alarma (circuito actuador) para tomar las medida pertinentes.

Señales electrónicas

Es la representación de un fenómeno físico o estado material a través de una relación establecida; las entradas y salidas de un sistema electrónico serán señales variables.
En electrónica se trabaja con variables que toman la forma de Tensión o corriente estas se pueden denominar comúnmente señales.Las señales primordialmente pueden ser de dos tipos:

• Variable analógica–Son aquellas que pueden tomar un número infinito de valores comprendidos entre dos límites. La mayoría de los fenómenos de la vida real dan señales de este tipo. (presión, temperatura, etc.)
• Variable digital– También llamadas variables discretas, entendiéndose por estas, las variables que pueden tomar un número finito de valores. Por ser de fácil realización los componentes físicos con dos estados diferenciados, es este el número de valores utilizado para dichas variables, que por lo tanto son binarias. Siendo estas variables más fáciles de tratar (en lógica serían los valores V y F) son los que generalmente se utilizan para relacionar varias variables entre sí y con sus estados anteriores.

Tensión

Es la diferencia de potencial generada entre los extremos de un componente o dispositivo eléctrico. También podemos decir que es la energía capaz de poner en movimiento los electrones libres de un conductor o semiconductor. La unidad de este parámetro es el voltio (V). Existen dos tipos de tensión: la continua y la alterna.

• Tensión continua (VDC) –Es aquella que tiene una polaridad definida, como la que proporcionan las pilas, baterías y fuentes de alimentación.
• Tensión Alterna (VAC) .- –Es aquella cuya polaridad va cambiando o alternando con el transcurso del tiempo. Las fuentes de tensión alterna más comunes son los generadores y las redes de energía doméstica.

Corriente eléctrica

Artículo principal: Corriente eléctrica

También denominada intensidad, es el flujo de electrones libres a través de un conductor o semiconductor en un sentido. La unidad de medida de este parámetro es el amperio (A). Al igual que existen tensiones continuas o alternas, las intensidades también pueden ser continuas o alternas, dependiendo del tipo de tensión que se utiliza para generar estos flujos de corriente.

Resistencia

Artículo principal: Resistencia eléctrica

Es la propiedad física mediante la cual todos los materiales tienden a oponerse al flujo de la corriente. La unidad de este parámetro es el Ohmio (Ω). No debe confundirse con el componente resistor.

Circuitos electrónicos

Se denomina circuito electrónico a una serie de elementos o componentes eléctricos (tales como resistencias, inductancias, condensadores y fuentes) o electrónicos, conectados eléctricamente entre sí con el propósito de generar, transportar o modificar señales electrónicas. Los circuitos electrónicos o eléctricos se pueden clasificar de varias maneras:

Por el tipo de información	Por el tipo de régimen	Por el tipo de señal	Por su configuración
Analógicos Digitales Mixtos	Periódico Transitorio Permanente	De corriente continua De corriente alterna Mixtos	Serie Paralelo Mixtos

Componentes

Para la síntesis de circuitos electrónicos se utilizan componentes electrónicos e instrumentos electrónicos. A continuación se presenta una lista de los componentes e instrumentos más importantes en la electrónica, seguidos de su uso más común:

• Altavoz: reproducción de sonido.
• Cable: conducción de la electricidad.
• Conmutador: reencaminar una entrada a una salida elegida entre dos o más.
• Interruptor: apertura o cierre de circuitos, manualmente.
• Pila: generador de energía eléctrica.
• Transductor: transformación de una magnitud física en una eléctrica (ver enlace).
• Visualizador: muestra de datos o imágenes.

Dispositivos analógicos (algunos ejemplos)

• Amplificador operacional: amplificación, regulación, conversión de señal, conmutación.
• Capacitor: almacenamiento de energía, filtrado, adaptación impedancias.
• Diodo: rectificación de señales, regulación, multiplicador de tensión.
• Diodo Zener: regulación de tensiones.
• Inductor: adaptación de impedancias.
• Potenciómetro: variación de la corriente eléctrica o la tensión.
• Relé: apertura o cierre de circuitos mediante señales de control.
• Resistor o Resistencia: división de intensidad o tensión, limitación de intensidad.
• Transistor: amplificación, conmutación.

Dispositivos digitales

• Biestable: control de sistemas secuenciales.
• Memoria: almacenamiento digital de datos.
• Microcontrolador: control de sistemas digitales.
• Puerta lógica: control de sistemas combinacionales.

Dispositivos de potencia

• DIAC: control de potencia.
• Fusible: protección contra sobre-intensidades.
• Tiristor: control de potencia.
• Transformador: elevar o disminuir tensiones, intensidades, e impedancia aparente.
• Triac: control de potencia.
• Varistor: protección contra sobre-tensiones.

Equipos de medición

Los equipos de medición de electrónica se utilizan para crear estímulos y medir el comportamiento de los Dispositivos Bajo Prueba (DUT por sus siglas en inglés). A continuación presentamos una lista de los más equipos de medición más importantes:

• Galvanómetro: mide el cambio de una determinada magnitud, como la intensidad de corriente o tensión (o voltaje). Se utiliza en la construcción de Amperímetros y Voltímetros analógicos.
• Amperímetro y pinza amperimétrica: miden la intensidad de corriente eléctrica.
• Óhmetro o puente de Wheatstone: miden la resistencia eléctrica. Cuando la resistencia eléctrica es muy alta (sobre los 1 M-ohm) se utiliza un megóhmetro o medidor de aislamiento.
• Voltímetro: mide la tensión.
• Multímetro o polímetro: mide las tres magnitudes citadas arriba, además de continuidad eléctrica y el valor B de los transistores (tanto PNP como NPN).
• Vatímetro: mide la potencia eléctrica. Está compuesto de un amperímetro y un voltímetro. Dependiendo de la configuración de conexión puede entregar distintas mediciones de potencia eléctrica, como la potencia activa o la potencia reactiva.
• Osciloscopio: miden el cambio de la corriente y el voltaje respecto al tiempo.
• Analizador lógico: prueba circuitos digitales.
• Analizador de espectro: mide la energía espectral de las señales.
• Analizador vectorial de señales: como el analizador espectral pero con más funciones de demodulación digital.
• Electrómetro: mide la carga eléctrica.
• Frecuencímetro o contador de frecuencia: mide la frecuencia.
• Reflectómetro de dominio de tiempo (TDR): prueba la integridad de cables largos.
• Capacímetro: mide la capacidad eléctrica o capacitancia.
• Contador eléctrico: mide la energía eléctrica. Al igual que el vatímetro, puede cofigurarse para medir energía activa (consumida) o energía reactiva.

MECANICA DE PRESION

La mecánica de precisión es una técnica de fabricación componentes usados en telecomunicaciones, microsistemas, instrumentos de medición, prótesis (medicina), aparatos ópticos, o en la industria aeroespacial. Su desarrollo se ha visto favorecido por los procesos de mecanizado mediante ordenadores (CNC) o procesos electroquímicos tales como electroerosión.
La mecánica de precisión ha sido a través de la historia un campo técnico que se ha caracterizado por lo exacto de su trabajo, de ahí su nombre. Las medidas con que se mecanizan las piezas son el eje central de la actividad.

Desarrollos significativos de la mecánica de precisión

• Control numérico de maquinas herramientas: La operación y control de las ya clásicas máquinas herramientas, mediante instrucciones dadas a la máquina mediante un ordenador asociado a la misma.
• Prótesis o extensión artificial: El principal objetivo de una prótesis es sustituir una parte del cuerpo que haya sido perdida por una amputación o que no exista a causa de agenesia, cumpliendo las mismas funciones que la parte faltante, como las piernas artificiales o las prótesis dentales (mecánica dental). Para la elaboración de estas prótesis se requiere de instrumentos de precisión que ayudaran a la fabricación de piezas para poder encajar con exactitud al cuerpo.
• Robótica: Se denominan robots a los elementos que son capaces de realizar cualquier trabajo físico o mental estando asistidos por un programa de ordenador.

Técnicamente, existe un primer nivel de robots, diseñados para ejecutar respectivamente una secuencia de operaciones mecánicas controladas por un programa . Básicamente son brazos o manipuladores mecánicos, poco estáticos, que realizan con precisión e incansablemente tareas como la soldadura de piezas, colocación de pernos, pintura de carrocerías u operaciones más peligrosas como alimentación de hornos y de prensas de forjar.

• Robots cibernéticos: En un segundo nivel, los robots poseen importantes dispositivos adicionales, particularmente "ojos" constituidos por cámaras de televisión. A través de ellas, el robot toma del medio ambiente un difuso patrón de luces, sombras y colores y alimenta a una computadora. Esta realiza un análisis de escenas y registra así en su memoria los objetos que lo rodean. A partir de esa información, el robot guiado por la inteligencia artificial instrumentada en la computadora planifica su actividad, generando y comparando secuencias de operaciones y eligiendo aquella que ejecutara para cumplir con el objetivo de trabajo ordenado. Se trata de auténticos ingenios cibernéticos, cuyo funcionamiento está automáticamente controlado y ajustado en función de las variaciones del entorno, aplicando para ello, en el mundo de la tecnología, el principio de realimentación de la información. Este segundo y más avanzado nivel de robots tiene, respecto del primero, una importantísima propiedad: la versatilidad.

Aplicaciones de la mecánica de precisión

En gran medida los componentes fabricados con mecánica de precisión sirven para la creación de piezas, la trasmisión, la grabación, la transformación, la supervisión y el procesamiento de señales ópticas y acústicas, eléctricas, hidráulicas y neumáticas.
La Microtécnica/Ingeniería de microsistemas une componentes microelectrónicos, micromecánicas y optoelectrónicas como microprocesadores inteligentes, sensores y actores para formar sistemas técnicos extremadamente miniaturizados. Las aplicaciones van desde sistemas de navegación en vehículos hasta complejos sistemas químicos de análisis de mínimas dimensiones, p.ej. para la navegación espacial, pasando por válvulas y bombas para la dosificación de medicamentos en el cuerpo. La Optoelectrónica ofrece las bases técnicas conjuntas para televisores, reproductores de CD, aparatos digitales de fotografía, máquinas láser, sistemas de visualización nocturna y muchos otros bienes industriales.
Los ingenieros especializados en Mecánica de Precisión suelen colaborar con físicos, químicos, informáticos e ingenieros de otros campos. Los estudios de Mecánica de Precisión están estrechamente relacionados con la Prótesis, la Electrotecnia, la Ingeniería Mecánica, y la Informática.

VIDEO MECATRONICA

mecatronica

MECATRONICA

La mecatrónica surge de la combinación sinérgica de distintas ramas de la ingeniería, entre las que destacan: la mecánica de precisión, la electrónica, la informática y los sistemas de control. Su principal propósito es el análisis y diseño de productos y de procesos de manufactura automatizados.

Descripción

El término "Mecatrónica" en un principio se definió como la integración de la mecánica y también de la electrónica en una máquina o producto, pero luego se consolidó como una especialidad de la ingeniería e incorporó otros elementos como los sistemas de computación, los desarrollos de la microelectrónica, la inteligencia artificial, la teoría de control y otros relacionados con la informática, estabilidad y alcanzabilidad. Teniendo como objetivo la optimización de los elementos industriales a través de la optimización de cada uno de sus subprocesos con nuevas herramientas sinérgicas.

Antecedentes
La Mecatrónica tiene como antecedentes inmediatos a la investigación en el área de Cibernética realizada en 1936 por Turing y en 1948 por Wiener y Morthy, las máquinas de control numérico, desarrolladas inicialmente en 1946 por Devol, los manipuladores, ya sean teleoperados, en 1951 por Goertz, o robotizados, en 1954 por Devol, y los autómatas programables, desarrollados por Bedford Associates en 1968.
En 1969 la empresa japonesa Yaskawa Electric Co. acuña el término Mecatrónica, recibiendo en 1971 el derecho de marca. En 1982 Yaskawa permite el libre uso del término.
Actualmente existen diversas definiciones de Mecatrónica, dependiendo del área de interés del proponente. En particular, la UNESCO define a la Mecatrónica como:

"La integración sinérgica de la ingeniería mecánica con la electrónica y el control inteligente por computadora en el diseño y manufactura de productos y procesos".

Sin embargo, una manera más interesante de definir la Mecatrónica es posible por:

"Diseño y construcción de sistemas mecánicos inteligentes".

Un sistema mecatrónico se compone principalmente de mecanismos, actuadores, control (inteligente) y sensores. Tradicionalmente la Mecánica se ha ocupado solo de los mecanismos y los actuadores, y opcionalmente puede incorporar control. La Mecatrónica integra obligatoriamente el control en lazo cerrado y por lo tanto también a los sensores.

Sistema Mecatrónico

Un sistema mecatrónico es aquel sistema digital que recoge señales, las procesa y emite una respuesta por medio de actuadores, generando movimientos o acciones sobre el sistema en el que se va a actuar: Los sistemas mecánicos están integrados por sensores, microprocesadores y controladores. Los robots, las máquinas controladas digitalmente, los vehículos guiados automáticamente, etc. se deben considerar como sistemas mecatrónicos

Líneas de investigación

La investigación en el área de Mecatrónica es muy variada y una división que se propone es: análisis, detectar los problemas de los componentes analógicos y digitales , encontrar una solución al mismo, comportamiento de los sistemas.

Componentes

Mecanismos

En el área de mecanismos, los principales problemas son reducción de complejidad, eliminación de mecanismos y síntesis de mecanismos mecatrónicos.
La reducción de la complejidad se refiere a reducir el número de elementos del mecanismo, mediante el uso de control inteligente. La eliminación del mecanismo implica el uso directo de actuadores y de controles más sofisticados. La síntesis de mecanismos mecatrónicos consiste en utilizar actuadores directamente en el mecanismo para mejorar su movimiento; un ejemplo de síntesis es el desarrollo de rodamientos con actuación magnética para eliminar la fricción. Se caracteriza por una mejor caracterización del mecanismo y el diseño por computadora.

Actuadores

Todo mecanismo requiere de una fuente de potencia para operar. Inicialmente esta fuente de potencia fue de origen animal, posteriormente se aprovechó la fuerza generada por el flujo de aire o agua, pasando luego a la generación de potencia con vapor, por combustión interna y actualmente con electricidad. Si esta fuente de potencia es modulable o controlable, se tiene un actuador. Los principales desarrollos de los actuadores en la Mecatrónica son: manejo directo, eliminando mecanismos, utilizando actuadores electromagnéticos, piezoeléctricos y ultrasónicos.También deben considerarse los actuadores neumáticos u oleo-hidráulicos. Un tipo de actuadores muy utilizados son los motores eléctricos; se han desarrollado investigaciones en nuevos modelos matemáticos, nuevos tipos de manejadores y en nuevos tipos de control. Un tipo de actuador que se ha utilizado mucho en nanomaquinaria son los actuadores electrostáticos.

Controles

Un área muy desarrollada en la Mecatrónica es el control. Se tienen dos tendencias importantes: el uso de las técnicas más modernas de la teoría de control automático y el desarrollo de controles inteligentes, que busca mejorar la percepción del medio ambiente y obtener una mejor autonomía. Algunos de los avances más importantes en la rama del control automático son: redes neuronales, modos deslizantes, control de sistemas a eventos discretos, control adaptable, lógica difusa y control robusto.

Sensores

Los sensores son dispositivos que permiten medir el estado del mecanismo o del medio ambiente. La incorporación de sensores a los mecanismos es el resultado de utilizar controles de lazo cerrado. Un ejemplo muy desarrollado es el uso de la visión artificial, la cual se usa para determinar la posición y la orientación del mecanismo, del ambiente o de las herramientas, sin embargo, no siempre es posible medir directamente alguna variable se estima su valor por medio de observadores del estado y filtros. Por otro lado, se tiene la fusión de sensores. Un problema que se ha manejado recientemente es el desarrollo de referenciales \emph{fijos} para determinar la posición y orientación en problemas de navegación, siendo resuelto por medio de sistemas de posicionamiento global (GPS, por sus siglas en inglés).

Análisis y modelado

Por análisis se entiende la obtención de una descripción o modelo de los sistemas por métodos matemáticos y gráficos. El principal problema radica en que muchos sistemas de control no se describen con modelos continuos, ya sea en el estado o en el tiempo; mientras los sistemas mecánicos son modelos continuos. Este problema ha provocado el uso de nuevas técnicas de modelado, tales como: redes neuronales, redes de Petri, lógica difusa, onduletas, memorias asociativas, agentes cooperativos, modelos algorítmicos y modelos lingüísticos.
Los modelos son necesarios para poder realizar síntesis de dispositivos mecatrónicos y optimización de procesos.

Aplicaciones

En cuanto a aplicaciones, los rubros más importantes son robótica, sistemas de transporte, sistemas de manufactura, máquinas de control numérico, nanomáquinas y biomecatrónica.
La robótica es la parte de la técnica de diseño y construcción de autómatas flexibles y reprogramables, capaces de realizar diversas funciones. Es el nivel de automatización más flexible y en mucho indica las tendencias futuras del resto de la mecatrónica. Las líneas de investigación más desarrolladas son: síntesis de manipuladores y herramientas, manipuladores de cadena cinemática cerradas, robots autónomos, robots cooperativos, control y teleoperación asincrónicas (por medio de conexiones TCP/IP), estimación del ambiente, comportamiento inteligente, interfaces hápticas, navegación y locomoción.
La aplicación de la Mecatrónica en el transporte se desarrolla en el diseño de mecanismos activos (ejemplo: suspensiones activas), control de vibraciones, estabilización de mecanismos y navegación autónoma.
En la manufactura, la Mecatrónica se ha servido de los modelos de sistemas a eventos discretos, y los ha aplicado para el diseño óptimo de líneas de producción así como la optimización de procesos ya existente. También ha ayudado a automatizar las líneas de producción y generar el concepto de manufactura flexible.
Antecedentes de la Mecatrónica son las máquinas de control numérico. En este tema los desarrollos más recientes son: análisis, detección y control de vibraciones, y temperatura, en las herramientas de corte, diagnóstico de las herramientas de corte y prototipaje rápido, electroerosionado y síntesis por láser.
Las nanomáquinas son un área que se han beneficiado de los desarrollos de la Mecatrónica. Un ejemplo muy evidente es el desarrollo del disco duro. Las líneas de investigación más manejadas son: micromanejo, microactuadores y micromaquinado.
La biomecatrónica es la aplicación de la mecatrónica para resolver problemas de sistemas biológicos, en particular el desarrollo de nuevos tipos de prótesis, simuladores quirúrgicos, control de posición de instrumental médico (por ejemplo catéteres), sillas de ruedas y teleoperación quirúrgica.