3.- La Revolución Industrial.-Los primeros antecedentes históricos de la máquina de vapor se remontan a la antigua Grecia. En el siglo II antes de Cristo Heron de Alejandría construyo la primera turbina de vapor conocida, la conocida como Aelópila de Heron.
Éste y otros inventos, como la bomba de aire de Ktesibio, solo conocieron aplicaciones lúdicas. En el renacimiento se encontraron nuevas aplicaciones técnicas del vapor. Hacia 1660 el Marqués de Worcester diseñó un "motor conducido por agua", la semilla de la máquina de vapor. Tiempo después, el francés Denis Papin diseñaría una máquina de vapor donde la presión atmosférica jugaba un papel decisivo.
En el siglo XVII se empezaron a desarrollar las primeras máquinas de vapor. Al calentar agua para producir vapor, este alcanza un volumen 2700 veces superior a la misma masa de agua líquida. Esta propiedad expansiva del vapor constituye el fundamento de la máquina que lleva su nombre, un ingenio que revolucionaría la sociedad occidental.
Las primeras máquinas de vapor chocaron con la falta de profesionales, de técnicas de construcción y de materiales apropiados. Se utilizaban para bombear agua en principescas fuentes y para achicar las inundadas minas de carbón inglesas. En 1712 un quincallero llamado Thomas Newcomen y el ingeniero militar Thomas Savery construyeron la primera máquina de vapor atmosférica de pistón. Utilizaba un pistón de simple efecto: una de las caras del émbolo estaba expuesta al exterior, a la presión atmosférica y la otra cara era la pared deslizante de un cilindro. En él se introducía vapor que hacía avanzar el émbolo. Al final del recorrido el cilindro se enfriaba por medio de un chorro de agua y por lo tanto el vapor condensaba, ocupando un volumen 2700 veces inferior. El vacío creado, "el poder de la nada" como fue llamado, no contrarrestaba la presión atmosférica de la otra cara del émbolo y por ello la pared móvil del cilindro retrocedía. Era este movimiento el que permitía elevar agua de una mina por medio de una bomba de pistón. Pero su rendimiento era muy pobre, tan solo el 0.5% de la energía del combustible utilizado.
La máquina recibió muchas críticas por su elevado consumo de carbón y por el fuerte desgaste de sus componentes. Para hacerla funcionar, se decía, eran necesarias dos minas, una de carbón y otra de hierro. A pesar de ello, en 1760 había más de 100 máquinas trabajando.
El ingeniero James Watt introdujo una modificación en la máquina: una cámara aparte, el condensador, encargada de enfriar el vapor. También introdujo el cilindro de doble efecto, que aceptaba vapor alternativamente a ambos lados del émbolo. El resultado fue que se aumento el rendimiento de la máquina hasta el 4%.
Watt se asoció con el industrial de Birmingham Matthew Boulton para fabricar a gran escala y arrendar máquinas de vapor [Dickinson 27]. La primera gran máquina de vapor con mecánica rotativa fue instalada por Boulton y Watt en 1786 en el Molino de Albion en Londres. La maquinaria del molino fue diseñada y construida por el escocés Meikle que después se dedicaría a instalar reguladores centrífugos en los molinos de piedra. Se debe remarcar que la invención de los reguladores centrífugos se le ha atribuido desde siempre a Meikle, el cual era el líder en el diseño e implantación de molinos, pero se reconoce que Meikle basó los diseños de sus reguladores centrífugos en el ingenio patentado por Mead en 1787.
En este contexto, en 1788 Boulton envía una carta a Watt donde le informa que ha visitado las instalaciones de Albion y ha observado los molinos en operación con los reguladores centrífugos, describiendo también su forma de trabajo. Watt sugiere inmediatamente la posibilidad de aplicar el mismo principio para controlar la velocidad de las máquinas de vapor, y es probable que antes de final de año tuviera diseñado su primer regulador centrífugo.
Figura 12. Máquina de Vapor con regulador de Watt [Standh 89].
Boulton y Watt hicieron lo posible para que el diseño de su regulador permaneciera secreto el máximo tiempo posible. Cuando la patente de Watt caduca en 1800, su regulador centrífugo se había convertido en una parte estándar del equipamiento de los ingenios de vapor de la época.
Este regulador mecánico por medio de un sistema de palanca regulaba la cantidad de vapor suministrada por la caldera a la turbina de la máquina de vapor. Este invento resultará ser de gran importancia en el desarrollo histórico de la Regulación Automática, dado que incorpora el sensor y el actuador en un único ingenio, sin disponer de un amplificador de potencia que aislará el sensor del actuador. [Auslander 71]
No se puede afirmar que estos ejemplos aislados supongan la existencia de algún tipo de Ingeniería o Teoría de Control Automático, dado que ni siquiera existían las herramientas matemáticas necesarias para ello.
Los primeros reguladores de Watt funcionaron satisfactoriamente debido fundamentalmente al considerable rozamiento que presentaban sus mecanismos, haciendo el sistema de por si estable. Sobre 1868 existían unos 75000 reguladores de Watt operando en Inglaterra.
Los reguladores de Watt suministraban una acción de tipo proporcional y el control de velocidad solo era exacto con una determinada carga mecánica. Además solamente podían operar en un reducido rango de velocidades y necesitaban un continuo y costoso mantenimiento. Se les denominaban moderadores, no controladores.
En los primeros 70 años del siglo XIX, una vez caducada la patente de Watt, se realizaron grandes esfuerzos por mejorar el diseño de los reguladores, muchos de ellos con el objetivo de reducir el offset presente en el ingenio de Watt. Ejemplos de estos ingenios son los reguladores (Governors) patentados por Willians Siemens en 1846 y 1853, que sustituyeron la acción proporcional por acción integral.
A lo largo del siglo XIX se siguen desarrollando reguladores de temperatura, como el de Ure (1830), y reguladores de velocidad para turbinas de agua diseñados por Woodward en 1870. En este ingenio se usaba el regulador centrífugo solo para accionar un embrague que controlaba la transmisión de potencia a la admisión. Se aíslan sensor y accionador incorporando en medio un amplificador de Potencia. Por lo tanto los servomecanismos adoptan la estructura funcional que se mantiene hasta el presente. Mientras en los reguladores de Mead y Watt el control era proporcional, en este ingenio el control pasa a ser integral.
Los amplificadores de potencia mecánicos, conocidos en el contexto del control como servomotores, siguen desempeñando una función fundamental en los sistemas de control. En la década de los 1860 M.J. Farcot diseña un regulador centrifugo de alta sensibilidad cuya señal de salida era suficiente para comandar un pequeño cilindro de doble pistón que inyectaba vapor a una de las dos caras del pistón de otro cilindro de potencia de diámetro mucho mayor. El factor de amplificación era proporcional a la relación de áreas de los cilindros. Farcot en su patente [Farcot 1868] hace una comparación entre su invento, el servomotor y el jinete de un caballo:
"el jinete puede dirigir los músculos del caballo con pequeños movimientos de sus manos, busca que sus pequeñas intenciones se transformen en grandes fuerzas"
Farcot denominó su patente como "Servomoteur, ou moteur asservi" y de aquí se origina el término servomotor.
Figura 15. Servomotor de Farcot (1873).
Los sistemas mecánicos se desarrollan hasta 1900, entonces son superados por sistemas hidráulicos. Los motores eléctricos y el desarrollo de la electrónica adquieren gran relevancia durante la segunda guerra mundial, desempañando un gran papel en el desarrollo de la teoría clásica de control.
