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.
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.
Figura 9. Regulador de Mead
para Molinos de Viento
Figura 8. Sistema de orientación
de las aspas de los molinos
Figura 10. Molino de viento del
siglo XIX totalmente Automatizado
.
Figura 11. Aelópila de Heron.
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].
Figura 13. Regulador de Watt.
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:
Figura 14. Regulador de Watt.