20 • SISTEMAS DE CONTROL MODERNO

lugar a una nueva familia de productos inteligentes. El control por realimentación es un aspecto integral de los sistemas mecatrónicos modernos. Se puede comprender la extensión que la mecatrónica alcanza en las diferentes disciplinas considerando los componentes que constituyen la mecatrónica [74-77]. Los elementos claves de la mecatrónica son: (1) modelado de sistemas físicos, (2) sensores y actuadotes, (3) señales y sistemas, (4) computadores y sistemas lógicos y (5) software y adquisición de datos. El control por realimentación contiene aspectos de los cinco elementos claves de la mecatrónica, pero se asocia en primer lugar con los elementos de señales y sistemas, tal como se ilustra en la Figura 1.19.

Los avances en las tecnologías de hardware y software de los computadores acoplados con el deseo de incrementar la relación comportamiento/coste ha revolucionado el diseño en ingeniería. Se están desarrollando nuevos productos en la intersección de disciplinas tradicionales de la ingeniería, la ciencia de la computación y las ciencias naturales. Los avances en disciplinas tradicionales están activando el crecimiento de los sistemas mecatrónicos al proporcionar «tecnologías catalizadoras». Una tecnología crítica de este tipo fue el microprocesador que ha tenido un efecto profundo sobre el diseño de productos de consumo. Se deberían esperar avances continuados en microprocesadores y microcontroladores, sensores y actuadores nuevos a un coste razonable impulsado por los avances en las aplicaciones de los sistemas microelectromecánicos (MEMS), las metodologías de control avanzado y los métodos de programación en tiempo real, las tecnologías de redes y de sistemas inalámbricos y las tecnologías maduras de la ingeniería asistida por computador (CAE) para el modelado de sistemas avanzados, el prototipado virtual y la verificación. El desarrollo rápido y continuado en estas áreas solamente acelerará el ritmo de productos inteligentes (esto es, controlados activamente).

Un área excitante para el desarrollo de los sistemas mecatrónicos del futuro en los cuales los sistemas de control desempeñarán un papel muy significativo es el campo de la producción y utilización de energías alternativas. ;Los automóviles de combustible híbrido y la generación eficiente

de energía eólica sbn dos ejemplos de sistemas que se pueden beneficiar de los métodos de diseño mecatrónicos. De hecho, la filosofía del

diseño mecatrónico se puede ilustrar de forma efectiva con el ejemplo de la evolución del automóvil moderno [70]. Antes de 1960, la radio era el único dispositivo electrónico significativo en un automóvil. Hoy día, muchos automóviles tienen de 30 a 60 micro- controladores, hasta 100 motores eléctricos y alrededor de 200 libras de cables, una multitud de sensores y miles de líneas de código.

FIGURA 1.19

Los elementos claves de la mecatrónica [70],

INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL • 21

Un automóvil moderno no puede ya clasificarse como una máquina estrictamente mecánica. Ha sido transformado en un sistema mecatrónico muy amplio.

EJEMPLO 1-1. Vehículos de combustible híbrido

La investigación y el desarrollo reciente ha conducido a la próxima generación de automóviles de

combustible híbrido, que se representa en la Figura l .20. El vehículo de combustible híbrido utiliza

un motor de combustión interna convencional en combinación con una batería (o cualquier otro dispositivo de almacenamiento de energía, como una pila de combustible o un volante) y un motor eléctrico para lograr un sistema de propulsión capaz de doblar la economía de combustible respecto de los automóviles convencionales. Aunque estos vehículos híbridos nunca serán de emisión cero (ya que tienen motores de combustión interna), pueden reducir el nivel de emisiones dañinas desde un tercio a la mitad, y con las mejoras que están pensadas para el futuro estas emisiones se pueden reducir aún más. Como ya se ha dicho, el automóvil moderno requiere para poder operar muchos sistemas de control avanzado. Los sistemas de control deben regular el comportamiento del motor, que incluye la mezcla de combustible-aire, la temporización de la válvula, las transmisiones, él control de tracción de las ruedas, los frenos antideslizantes y las suspensiones controladas electrónicamente, entre otras muchas responsabilidades. En el vehículo de combustible híbrido, hay funciones de control adicionales que deben satisfacerse. Especialmente necesario es el control de la potencia entre el motor de combustión interna y el motor eléctrico, determinar las necesidades de almacenamiento de potencia e implementar la carga de la batería y preparar al vehículo para emisiones bajas durante el arranque. La efectividad global del vehículo de combustible híbrido depende de la combinación de las unidades de potencia que se seleccionan (por ejemplo, batería frente a pila de combustible para el almacenamiento de energía). Finalmente, sin embargo, la estrategia de control que integra a los diferentes componentes eléctricos y mecánicos en un sistema de transporte viable tiene una gran influencia sobre la aceptabilidad por parte del mercado del

concepto de vehículo de combustible híbrido. ■

El segundo ejemplo de un sistema• mecatrónico es el sistema avanzado de generación de energía eólica.

EJEMPLO 1.2. Energía eólica

Hoy día, muchos países del mundo se enfrentan con suministros de energía inestables que a menudo llevan a subidas en los precios del combustible y a escasez de la energía. Además, los efectos negativos de la utilización de combustibles fósiles sobre la calidad de nuestro aire están bien documentados. El problema se halla en que muchas naciones tienen un desequilibrio entre el suministro y la demanda de energía. Básicamente necesitan más que lo que producen. Para atacar este desequilibrio, muchos ingenieros están estudiando el desarrollo de sistemas avanzados para

FIGURA 1.20

El automóvil de combustible híbrido se puede ver como un sistema mecatrónico. (Utilizado con permiso de DOE/NREL. Crédito: Warren Gretz.)