2.- Primeros ejemplos históricos de sistemas de control.-En la Antigua Grecia hay que destacar la presencia de tres mecánicos: Ktesibios, Philon y Herón.
Ktesibios, en el siglo III antes de Cristo diseña un reloj de agua, conocido también como Clepsydra y también diseña un órgano que funcionaba con agua. Las Clepsydras consistían en un mecanismo cuyo objetivo era que el nivel de un depósito de agua subiera con una velocidad constante. Para lo cual se utiliza un flotador que regulaba la entrada de agua a un depósito auxiliar de manera que el nivel de este se mantenía constante y por lo tanto su caudal de salida al depósito principal. El documento más antiguo encontrado donde se menciona una Clepsydra es el registro de un procedimiento judicial donde se le nombra como una ayuda para asegurar que ambas partes dispongan del mismo tiempo para las alegaciones finales.
La idea de que un reloj de agua pudiera realizar una función automática se le ocurre al gran filósofo Platón. Los alumnos de la academia fundada por Platón en el 378 A.C. tenían ciertas dificultades para levantarse por la mañana, lo cual era fuente de discusiones todos los días. Por lo cual Platón diseña un sistema de alarma basándose en una Clepsydra. En el vaso de la Clepsydra se ubicó un flotador encima del cual se depositan unas bolas. Durante la noche se llenaba el vaso y al amanecer alcanzaba su máximo nivel y las bolas caían sobre un plato de cobre. Es de suponer que ante el ruido de las bolas los "despiertos" alumnos terminarían por levantarse.
Figura 1. Reloj de Agua de Ktesibios, reconstruido por H. Diels.
En la Clepsydra de la Figura 2 el caudal suministrado al depósito b es constante por lo cual este tardará en llenarse un tiempo determinado y fijo al final del cual las bolas caen sobre la bandeja ejerciendo la función de alarma.
Figura 2. Clepsydra alarma de Platón.
Las Clepsydras de Platón suscitó un gran interés en la época y en el siglo siguiente se efectuaron gran cantidad de diseños de relojes de agua con dispositivos de señalización auditiva.
Figura 4. Lámpara de Philon.
Philon de Bizancio, construyo un sistema de regulación de nivel de una lámpara de aceite. Al quemarse el aceite de la lámpara, el nivel del depósito de aceite bajaba haciendo que entrará aire en otro depósito de forma que éste suministraba más aceite al depósito de la lámpara.
En la Figura 4 se observa el ingenio de Philon. Cuando se consume el aceite del depósito de la base de la lampara a través de b entra aire en el depósito el cual evacua aceite a través de d. En el instante en que el depósito se llene dejará de entrar aire en a y dejará de salir aceite por d. Con este sistema no se conseguía un nivel constante en el depósito pero se aseguraba la recarga de este cuando el aceite se iba consumiendo.
En el siglo I antes de Cristo, Herón de Alejandría escribe una Enciclopedia Técnica entre cuyos libros se encuentra "Pneumática" y "Autómata". En el primero describe varios sistemas realimentados y en el segundo presenta complicados aparatos que ejecutan un programa fijo.
Unos de los primeros sistemas realimentados de la historia son los dispensadores de vino cuyo funcionamiento se describe en los libros de Herón. El que se observa en la Figura 5 se basaba en el principio de los vasos comunicantes, y conseguía que el volumen de vino suministrado fuera constante. La válvula f permanecía abierta hasta que el elemento sensor (el flotador) la cerraba por el efecto de los vasos comunicantes. Solo que subir o bajar el nivel del flotador para decidir el nivel del depósito a.
Figura 5. Dispensador automático de vino.
El sistema de la Figura 6 también fue diseñado por Herón. El vino era servido desde un recipiente a que se comunicaba con otro recipiente c por medio de un vaso comunicante. De forma que cuando se cogía vino de a el nivel de c bajaba y el flotador d abría la válvula. Entonces el vino caía dentro de c procedente de un gran depósito e hasta que la altura de a y c hacía que el flotador volviera a tapar la válvula.
Figura 6. Dispensador automático de vino.
Heron también construye un Odómetro, un instrumento dedicado a medir la distancia recorrida por un vehículo. El sistema utilizado era muy ingenioso y consistía en una transmisión que cada vez que daba una vuelta la rueda final caía una bola en un contenedor. Solo había que contar el número de bolas para conocer la distancia recorrida.
En la Edad Media se desarrollan importantes mejoras técnicas pero en el campo de los ingenios dotados con realimentación existen pocos desarrollos, solamente cabría resaltar la realización de un sistema de control de un molino de harina realizado por H.U. Lansperg hacia el 1200, de forma que la cantidad de grano suministrada al molino dependía de la fuerza del viento y la dureza del propio grano, permitiendo que el sistema funcionará en condiciones óptimas, no se pretendía moler a velocidad constante.
Este distribuidor de grano es considerado como uno de los reguladores de la historia. Su funcionamiento era muy sencillo e ingenioso. El grano llegaba a la rueda de molienda a través de un alimentador con una pendiente muy pequeña, de forma que el grano no se movía si el alimentador estaba en reposo.
Figura 8. Sistema de orientación de las aspas de los molinos.
El eje de la rueda moledora tenia una serie de aristas que golpeaban el alimentador. A cada golpe caía una pequeña cantidad de grano de forma que cuanto mayor fuera la velocidad del viento mayor era la cantidad de grano. Por el simple equilibrio de energía se produce el efecto de la realimentación.
En el siglo XVII se presentan diversos sistemas de regulación de temperatura, entre ellos los aplicados en el horno y la incubadora de Drebbel. El principio utilizado en la regulación de temperatura es el siguiente, si la temperatura del horno sube se dilata el contenido de un depósito de alcohol de forma que se desplaza un juego de palancas que abre un orificio de salida de gases.
En el año 1745, E. Lee inventa un sistema para controlar automáticamente la orientación e inclinación de las aspas de los molinos de viento, de modo que se aprovechara mejor la dirección del viento. Se trataba del primer servomecanismo de posición. Fue patentado bajo el nombre de "Self-regulating Wind Machine". En esta patente [Lee 1745] se describen dos mecanismos.
- El molinillo de cola, el cual no gira si no se encuentra en la dirección normal al viento, y por lo tanto no hace girar la cúpula del molino.
- Un variador automático del ángulo de ataque de las aspas. Con el que se podía regular la velocidad de giro de las aspas del molino.
Figura 9. Regulador de Mead para Molinos de Viento.
Figura 10. Molino de viento del siglo XIX totalmente Automatizado.
Este segundo mecanismo no se llego a realizar debido a su complicación constructiva. El ingenio de Lee se implantó rápidamente en Inglaterra y en el norte de Alemania.
Cuando el grano de trigo es molido, la calidad de la harina producida depende fuertemente de dos factores: de la distancia entre las dos ruedas, la móvil y la fija, y de la velocidad de rotación de la primera.
En las últimas décadas del siglo XVII, se dedican muchos esfuerzos investigadores a desarrollar dispositivos que consigan controlar estos dos factores. En 1787, Thomas Mead patenta un diseño que combinaba la solución de los dos problemas. El invento [Mead 1787] disponía de un regulador que aseguraba que la presión ejercida entre las piedras del molino fuera proporcional a la velocidad de rotación. Este se combinaba con otro ingenio que variaba el ángulo de ataque de las aspas del molino, de forma que se controlaba la velocidad del molino.
Este ingenio resulta particularmente interesante dado que Mead utiliza como sensor de velocidad un péndulo rotativo precursor de los reguladores centrífugos.
