El documento resume la historia de la automatización desde sus orígenes hasta la actualidad. Comienza describiendo tres dispositivos tempranos que ilustran los orígenes de la automatización: los antiguos relojes de agua, los termostatos y los molinos de viento/agua. Luego describe algunos hitos clave en el desarrollo de la automatización como el regulador de Watt, la máquina de vapor de James Watt y el trabajo de Maxwell y Routh sobre la estabilidad de sistemas de control. Finalmente, discute brevemente el desarrollo de
1. CICLO DE CONFERENCIAS 40 ANIVERSARIO DE CIRCUTOR
Salón de actos del Museo Nacional de la Ciencia y de la Técnica
Automática: ¿De dónde venimos?
¿Dónde estamos?¿Hacia dónde vamos?
Sebastián Dormido
Dpto. Informática y Automática
E.T.S. Ingeniería Informática
UNED, Madrid
sdormido@dia.uned.es
Terrassa 20 de noviembre de 2013
S. Dormido
Automática
Contenido
1. Introducción
2. ¿De dónde venimos?
3. ¿Dónde estamos?
4. ¿Hacia dónde vamos?
5. Conclusiones
S. Dormido
Automática
1
2. Contenido
1. Introducción
2. ¿De dónde venimos?
3. ¿Dónde estamos?
4. ¿Hacia dónde vamos?
5. Conclusiones
S. Dormido
Automática
1. Introducción
Concepto de realimentación
Lazo abierto
Sistema 1
Sistema 2
S. Dormido
Lazo cerrado
Sistema 1
Sistema 2
Automática
2
3. 1. Introducción
Concepto de realimentación
Control en lazo abierto
Controlador
Sistema
Control en lazo cerrado
Controlador
Sistema
Norbert Wiener: “Realimentación es un método de controlar
un sistema, reinsertando en él los resultados de su
comportamiento anterior.”
S. Dormido
Automática
1. Introducción
Concepto de realimentación
Control en lazo abierto
Control en lazo cerrado
Perturbación
Controlador
Sistema
Perturbación
Controlador
Sistema
Norbert Wiener: “Realimentación es un método de controlar
un sistema, reinsertando en él los resultados de su
comportamiento anterior.”
S. Dormido
Automática
3
4. 1. Introducción
Concepto de realimentación
Una transmisión de información circular de forma continua.
Ejemplo: Proceso de llenar un vaso de agua.
J. Aracil y F. Gordillo, Dinámica de Sistemas, Alianza Editorial
S. Dormido
Automática
1. Introducción
Concepto de realimentación
Una transmisión de información circular de forma continua.
Ejemplo: Proceso de llenar un vaso de agua.
Si nos tapamos los ojos se rompe el bucle de realimentación
J. Aracil y F. Gordillo, Dinámica de Sistemas, Alianza Editorial
S. Dormido
Automática
4
5. 1. Introducción
Realimentación en sistemas biológicos
Claude Bernard En 1878 reconocía la notable estabilidad del
medio ambiente interno de los organismos vivos.
W. B. Cannon En 1928 introduce el término “homeostasis”
para describir el mantenimiento extraordinariamente estable
de tales variables.
N. Wiener En 1948 acuña el término “cibernética” para
estudiar de forma unificada como los sistemas biológicos, de
ingeniería, sociales y económicos se controlan y regulan.
S. Dormido
Automática
1. Introducción
Realimentación en los seres vivos
Ataxia locomotriz
Temperatura interna de los seres vivos
Concentración de glucosa en sangre
Ritmo de trabajo del corazón
Producción de proteínas por los ribosomas
Procesos visuales
Regulación de la pupila
Regulación de la respiración
S. Dormido
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5
6. 1. Introducción
El regulador de Watt
Control
¿De dónde
venimos?
¿Dónde
estamos?
El amplificador
realimentado
Computación
Comunicación
Sistemas complejos
¿Hacia dónde
vamos?
Control basado en red
S. Dormido
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1. Introducción
automático, ca en el diccionario de la RAE
1. adj. Perteneciente o relativo al autómata.
2. adj. Dicho de un mecanismo: Que funciona en todo o en
parte por sí solo.
3. adj. Que sigue a determinadas circunstancias de un modo
inmediato y la mayoría de las veces indefectible.
4. adj. Maquinal o indeliberado.
5. m. Especie de corchete que se cierra sujetando el macho
con los dientes de la hembra, que actúan como un resorte.
S. Dormido
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6
7. 1. Introducción
automático, ca en el diccionario de la RAE
6. f. Ciencia que trata de los métodos y procedimientos cuya
finalidad es la sustitución de un operador humano por un
operador artificial en la consecución de una tarea física o
mental
S. Dormido
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1. Introducción
Trabajo artesano
• El artesano es el responsable de
la producción total del producto
• Cada producto es “único”
• Producción y coste proporcional
al número de artesanos
S. Dormido
Automática
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8. 1. Introducción
Trabajo mecanizado
• Reorganización de los métodos
de producción
• División en un número de pasos
bien definidos
• Diseño de máquinas que ayudan
en cada paso
• El trabajador es entrenado para
operar sus máquinas
S. Dormido
Automática
1. Introducción
Trabajo automatizado
• Profundiza en muchas de las
características de la mecanización
• Los costes de producción
dependen de las materias primas,
capital invertido y mantenimiento
• El trabajador no entra de forma
directa en la producción
• El trabajador efectúa solamente
labores de supervisión
S. Dormido
Automática
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11. Contenido
1. Introducción
2. ¿De dónde venimos?
3. ¿Dónde estamos?
4. ¿Hacia dónde vamos?
5. Conclusiones
S. Dormido
Automática
2. ¿De dónde venimos?
Los orígenes y líneas fundamentales del desarrollo de la
automática se ilustran por tres dispositivos.
1. Los antiguos relojes de agua
2. Los termostatos
3. Los molinos de viento/agua
S. Dormido
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12. 2. ¿De dónde venimos?
Molinos de agua
S. Dormido
Automática
2. ¿De dónde venimos?
Molinos de viento
S. Dormido
Automática
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13. 2. ¿De dónde venimos?
Edmund Lee1 (1745)
1. Aprovechamiento de la energía eólica
2. Regular la velocidad de las aspas
(1) Patente: “Self regulating wind machine”
S. Dormido
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2. ¿De dónde venimos?
Thomas Mead (1787)
La calidad de la harina depende de
dos factores:
1. La distancia entre las ruedas móvil y fija
2. La velocidad de rotación de la rueda móvil
El regulador de Mead resuelve el
problema ya que aseguraba que:
1. La presión ejercida entre las piedras del
molino es proporcional a la velocidad de
rotación
2. Se regula la velocidad del molino variando
el ángulo de ataque de sus aspas
S. Dormido
Regulador centrífugo de Mead
Automática
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14. 2. ¿De dónde venimos?
Thomas Newcomen (1712): Constructor de la 1ª máquina de vapor
Una máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma
la energía de una cantidad de vapor de agua en trabajo mecánico
El problema de esta máquina era su bajo rendimiento energético (0,5 %)
S. Dormido
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2. ¿De dónde venimos?
James Watt (1736-1819)
Transforma el desarrollo de la máquina de vapor, de un proyecto
tecnológico, a una forma viable y económica de producir energía.
La máquina de Newcomen emplea casi tres cuartos de
la energía del vapor en calentar el pistón y el cilindro.
Mejoras introducidas por Watt
1. Desarrolla una cámara de condensación separada
que incrementa significativamente la eficiencia.
2. Introduce el cilindro de doble efecto que acepta
vapor alternativamente a ambos lados del émbolo
Aumenta el rendimiento de la máquina hasta un 4 %
S. Dormido
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15. 2. ¿De dónde venimos?
Comparación de las máquinas de Newcomen y Watt
Máquina de Newcomen
Máquina de Watt
S. Dormido
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2. ¿De dónde venimos?
La firma Boulton & Watt
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.
J. Watt
M. Boulton
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.
S. Dormido
En 1784 patentan la locomotora de vapor
Automática
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16. 2. ¿De dónde venimos?
Incorporación del regulador centrífugo de bolas
Velocidad
medida
Caldera
Válvula de
admisión
Regulador
centrífugo
de bolas
Eje de
salida
Motor
En 1868, solo en Inglaterra, hay más de
75.000 reguladores en funcionamiento.
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2. ¿De dónde venimos?
Balancín
Biela
Barra del pistón
Volante
Regulador
Cilindro
Caja de válvulas
Máquina de vapor, de la Fábrica Nacional de Moneda y Timbre, expuesta
en el vestíbulo de la ETSII de Madrid.
S. Dormido
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17. 2. ¿De dónde venimos?
Inconvenientes del regulador de Watt
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
velocidad de la máquina de vapor variaba cíclicamente con
el tiempo
5. Este
fenómeno
también
había
aparecido
en
los
mecanismos usados para regular la velocidad de los
telescopios astronómicos
S. Dormido
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2. ¿De dónde venimos?
Estos problemas atrajeron la atención de:
1868 Maxwell publica su trabajo “On Governors”
La estabilidad de un sistema es un problema algebraico.
n
ai x i
J. C. Maxwell
1831-1879
i =0
=0
Que está relacionado con la posición de las raíces de
una ecuación polinomial. El objetivo era determinar la
estabilidad sin necesidad de calcular las raíces
G. B. Airy
1801-1892
Maxwell lo resuelve para polinomios de grado n ≤ 4.
S. Dormido
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18. 2. ¿De dónde venimos?
El problema lo resuelven E. Routh y A. Hurwitz
Routh gana en 1876 el “Adams Prize” con su trabajo “A
treatise on the stability of the given state of motion”
Cuando
Routh
presenta
su
trabajo
en
la
London
Mathematical Society comienza diciendo:
E. J. Routh
1831-1907
“Ha venido recientemente a mi atención que mi buen
amigo James Clerk Maxwell ha tenido dificultades con un
problema relativamente trivial ...”
Routh no conocía los trabajos previos de C. Hermite (1854)
A. Hurwitz
1858-1918
Cuando Hurwitz lo resuelve en 1895 no conoce el trabajo de Routh
S. Dormido
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2. ¿De dónde venimos?
Un problema técnico importante en la telefonía de larga distancia
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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19. 2. ¿De dónde venimos?
La creación del Bell Technical Labs (BTL) en 1925
Investigación
Dpto de Ingeniería
Dpto de Ingeniería
Investigación
fundamental
AT&T
Western Electric
de productos
BTL
3.600 empleados que incluían a 2.000 científicos e ingenieros
Solo en 1925 la “Bell System” tuvo 800.000 nuevos abonados
S. Dormido
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2. ¿De dónde venimos?
El objetivo del BTL era aumentar la capacidad y reducir el coste
1ª alternativa: Poner más conversaciones en una única línea
Multiplexación de las señales con portadora mayor atenuación más repetidores
2ª alternativa: Aumentar el número de líneas
Transmisión por cable mayor atenuación más repetidores
Sistema
Repetidores
1er TC
6
Portadora
40
Cable
200
Portadora + Cable
600
S. Dormido
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20. 2. ¿De dónde venimos?
La característica de los tubos de vacío no era lineal
Corriente en
el anodo
Tensión
de rejilla
Esta no linealidad introduce distorsión y origina dos problemas
1. Producción de ármonicos entremezclado de las conversaciones
2. Al aumentar los repetidores aumenta la distorsión total
conversación ininteligible
S. Dormido
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2. ¿De dónde venimos?
A la búsqueda de un amplificador lineal
Entra en escena Harold S. Black
• 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
H. S. Black
1898-1983
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 quedarse
solo con la componente de señal pura
S. Dormido
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21. 2. ¿De dónde venimos?
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”
S. Dormido
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2. ¿De dónde venimos?
Un análisis sencillo del amplificador con realimentación
se supone d = 0
d
r
e
+
A
-
-
Ae
y = Ae
y
+
F
e = r − Fy
y=
A
1
=
AF F
Ar
d
y=
−
1 + AF 1 + AF
si AF >> 1
si d ≠ 0
Ar
= Gr
1 + AF
G≈
Cuando AF aumenta la conducta del sistema se hace más dependiente de la
ganancia 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
S. Dormido
ΔG
1 ΔA
≈
G 1 + AF A
∂y
1
=
∂d 1 + AF
1
G=
F
Automática
21
22. 2. ¿De dónde venimos?
La importancia del descubrimiento de Black
El mérito real de Harold Black fue haber formulado el
problema de la realimentación negativa en términos muy
generales, facilmente reutilizables con otras tecnologías
y haber sido el origen de la generalización de este
H. S. Black
1898-1983
concepto a otros dominios técnicos
IEEE Lamme Medal, 1957
“Muy pocos hombres han tenido la fortuna de influir de forma
tan profunda sobre un campo completo de la industria como lo
ha hecho Harold S. Black”
S. Dormido
Automática
2. ¿De dónde venimos?
Un problema con los amplificadores realimentados
• Hacia
1932
Black
y
su
equipo
podían
construir
amplificadores que funcionaban razonablemente bien.
• Sin embargo presentaban una tendencia a inestabilizarse.
• Algunos lo hacían cuando aumentaba la ganancia del lazo
del amplificador realimentado, lo cual se podía esperar.
• Otros
manifestaban
estas
características
cuando
la
ganancia disminuía y esto era completamente inesperado.
• Situación análoga a la vista con los reguladores del siglo
XIX, un dispositivo práctico exhibía una conducta misteriosa
S. Dormido
Automática
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23. 2. ¿De dónde venimos?
El problema lo resuelve H. Nyquist
Nyquist publica en 1932 “Regeneration Theory” que marca el
nacimiento de la Automática como disciplina científica
• Natural de Nilsby, Suecia
• En 1907 emigra a Estados Unidos
H. Nyquist
1889-1976
• En 1914 se gradúa en Ingeniería Eléctrica en North Dakota
• En 1917 se doctora en física en Yale y comienza a trabajar en AT&T
• En 1925 se incorpora al BTL
1. Una forma nueva de ver el probema de la estabilidad
2. Es fácil ver como se puede estabilizar un sistema
3. Se formula en términos de una cantidad medible
4. No depende de la existencia de un modelo matemático
Sistemas condicionalmente estables
S. Dormido
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2. ¿De dónde venimos?
S. Dormido
Automática
23
24. 2. ¿De dónde venimos?
Curva de Nyquist de un amplificador realimentado
“Regenerative Amplifier and Method of Determining its Stability”
U.S. Patent 1,915,440
S. Dormido
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2. ¿De dónde venimos?
• La realimentación hace posible que podamos diseñar buenos
sistemas a partir de malos componentes, pero la realimentación
puede dar lugar a inestabilidad (singing)
• Nyquist introdujo una forma completamente nueva de mirar el
problema de la estabilidad
B
C
A
• Es fácil ver como se puede estabilizar un sistema
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25. 2. ¿De dónde venimos?
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
patentes americana
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 la propuesta presentada por Black 9 años antes
(U.S. Patent 2 102 671)
S. Dormido
Automática
Contenido
1. Introducción
2. ¿De dónde venimos?
3. ¿Dónde estamos?
4. ¿Hacia dónde vamos?
5. Conclusiones
S. Dormido
Automática
25
26. 3. ¿Dónde estamos?
Transporte
S. Dormido
Automática
3. ¿Dónde estamos?
Generación y distribución de energía
S. Dormido
Automática
26
27. 3. ¿Dónde estamos?
Control de procesos
S. Dormido
Automática
3. ¿Dónde estamos?
Fabricación discreta
S. Dormido
Automática
27
29. 3. ¿Dónde estamos?
Cirugía asistida por robots
S. Dormido
Automática
3. ¿Dónde estamos?
Eje tecnológico
Computación
Control
Comunicación
S. Dormido
Automática
29
30. 3. ¿Dónde estamos?
Eje científico
Química
Matemática
Control
Física
Biología
S. Dormido
Automática
3. ¿Dónde estamos?
Eje tecnológico
Eje científico
Computación
Química
Matemática
Control
Física
Biología
Comunicación
S. Dormido
Automática
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31. 3. ¿Dónde estamos?
Control Computación
Evolución del parque de computadores
Computadores de propósito general y PC’s
Computadores en control de procesos
Computadores empotrados
Fuente: K. J. Åström “Challenges in Control Education”, ACE’06
S. Dormido
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3. ¿Dónde estamos?
Control Computación
Implementación de sistemas de control
Dpto de Control
Dpto de Informática
1. Modelar la planta
1. Diseñar hard + soft
2. Analizar modelo
2. Test estructural
3. Variables a controlar
3. Test funcional
4. Configuración de control
4. Validación
5. Tipo de controlador
6. Especificaciones
7. Diseñar controlador
Metáfora del muro
S. Dormido
Automática
31
32. 3. ¿Dónde estamos?
Comunicación en control
Tecnología de
comunicación
dominante
Neumática
3–15 psi
Analógica
4–20mA
Smart
4–20mA
Múltiples
buses de campo
Inalámbrica
WirelessHART
ISA 100
ZigBee
….
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
Los sistemas inalámbricos se benefician de:
• Costes de instalación y mantenimiento ↑↑
• Flexibilidad y capacidades de medida ↑↑
Grandes cambios en la
arquitectura de los sistemas de control
S. Dormido
Automática
Contenido
1. Introducción
2. ¿De dónde venimos?
3. ¿Dónde estamos?
4. ¿Hacia dónde vamos?
5. Conclusiones
S. Dormido
Automática
32
33. 4. ¿Hacia dónde vamos?
Características de los sistemas de control del futuro
1. Complejidad y heterogeneidad
2. Control en entornos de red asíncronos y distribuidos
3. Coordinación y autonomía de alto nivel
4. Síntesis automática de algoritmos de control con
verificación y validación integrada
5. Construcción de sistemas muy fiables a partir de
componentes menos fiables
S. Dormido
Automática
4. ¿Hacia dónde vamos?
Tres textos de reflexión
National Academy of
Engineering
S. Dormido
Informe Murray
AFOSR
Informe IEEE Control
System Society
Automática
33
34. 4. ¿Hacia dónde vamos?
Complejidad: La nueva frontera
Tradicionalmente el control se ha focalizado sobre sistemas sencillos
S. Dormido
Automática
4. ¿Hacia dónde vamos?
Complejidad: La nueva frontera
Tradicionalmente el control se ha focalizado sobre sistemas sencillos
Sistema 1
(coche)
S. Dormido
Automática
34
35. 4. ¿Hacia dónde vamos?
Complejidad: La nueva frontera
Tradicionalmente el control se ha focalizado sobre sistemas sencillos
Sistema 1
(coche)
Sistema 2
(conductor)
S. Dormido
Automática
4. ¿Hacia dónde vamos?
…. pero esto no es suficiente!
Nuevas aplicaciones desafian a esta forma tradicional de pensamiento
S. Dormido
Automática
35
36. 4. ¿Hacia dónde vamos?
Todos estos sistemas son conjuntos de muchas entidades
que se comunican unas con otras en un red de
interconexiones
S. Dormido
Automática
4. ¿Hacia dónde vamos?
Todos estos sistemas son conjuntos de muchas entidades
que se comunican unas con otras en un red de
interconexiones
S. Dormido
Automática
36
37. 4. ¿Hacia dónde vamos?
Todos estos sistemas son conjuntos de muchas entidades
que se comunican unas con otras en un red de
interconexiones
S. Dormido
Automática
4. ¿Hacia dónde vamos?
Todos estos sistemas son conjuntos de muchas entidades
que se comunican unas con otras en un red de
interconexiones
S. Dormido
Automática
37
38. 4. ¿Hacia dónde vamos?
Todos estos sistemas son conjuntos de muchas entidades
que se comunican unas con otras en un red de
interconexiones
S. Dormido
Automática
4. ¿Hacia dónde vamos?
Todos estos sistemas son conjuntos de muchas entidades
que se comunican unas con otras en un red de
interconexiones
S. Dormido
Automática
38
39. 4. ¿Hacia dónde vamos?
Todos estos sistemas son conjuntos de muchas entidades
que se comunican unas con otras en un red de
interconexiones
S. Dormido
Automática
4. ¿Hacia dónde vamos?
La red de interconexiones
increíblemente complejas.
(topología)
puede
ser
... y pueden emerger nuevas conductas que no se pueden explicar en términos
de la conducta de cada agente.
S. Dormido
Automática
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40. 4. ¿Hacia dónde vamos?
Sincronización
Sincronisación de 5 metrónomos acoplados realizado en el Dpto de
Físicas de la Universidad de Lancaster.
S. Dormido
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4. ¿Hacia dónde vamos?
Bandadas
S. Dormido
Automática
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41. 4. ¿Hacia dónde vamos?
Una bandada de nano cuadri-rotors
Experimentos realizados con un conjunto of nano cuadri-rotors el el
GRASP Lab, Universidad de Pennsylvania. Vehiculos desarrollados
por KMel Robotics.
S. Dormido
Automática
Contenido
1. Introducción
2. ¿De dónde venimos?
3. ¿Dónde estamos?
4. ¿Hacia dónde vamos?
5. Conclusiones
S. Dormido
Automática
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42. 5. Conclusiones
El impacto de la Automática
•
Emerge como una disciplina crucial en apenas 70 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
S. Dormido
Automática
5. Conclusiones
La Automática dispone en la actualidad de un cuerpo
bien establecido de teorías, ideas, conceptos y métodos
de diseño y un conjunto de áreas de aplicación en
continua expansión.
y lo que es mucho más importante
Un excelente grupo de jóvenes investigadores creativos y
con talento
S. Dormido
Automática
42
43. 5. Conclusiones
Una mirada vigilante
• Interacción control – comunicación – computación
• Conexión con la industria
• Conocimiento específico del dominio de aplicación
• Posicionamiento académico
S. Dormido
Automática
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