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04-Cibernética [Sistemas de control]. Ing. Carlos Ernesto García, M.Sc.

1. Cibernética [TGS, Bertalanffy]1. La Teoría de los Sistemas de Control se basa en la transferencia de información entre un sistema y su 2 entorno y dentro de sí mismo, para controlarse por retroalimentación. Su creador, Norbert Wiener , la dio a conocer en 1948. 1. Definición. Norbert Wiener (1894-1964) creó la Cibernética como una nueva disciplina para tratar una gran variedad de fenómenos de la naturaleza vivient, y sistemas tecnológicos que utilizan concretamente el mecanismo de la retroalimentación. La teoría aspira a mostrar qué mecanismos retroalimentadores fundamentan el comportamiento teleológico o intencionado de las máquinas construidas por el hombre, así como el de los seres vivos y los sistemas sociales, para luego, con base a este conocimiento poder controlar esas máquinas y esos seres vivos y sistemas sociales. Se podría entonces considerar a la Cibernética como “la ciencia del control por retroalimentación (feed-back)”. Precisamente la etimología del término “cibernética” remite al término griego “kubernete”', que significa “timonel”, es decir el individuo que controla el rumbo de un proceso. La Cibernética, basada en el principio de retroalimentación, o de líneas causales circulares, es un enfoque sistémico que proporciona mecanismos para la persecución de metas y para el comportamiento autocontrolado. 2. Un ejemplo paradigmático. Durante la Segunda Guerra Mundial se había agudizado el problema del tiro antiaéreo sobre un blanco móvil. En otras palabras, la cuestión era cómo podía ir moviéndose adecuadamente un cañón para dispararle nada menos que a un avión en movimiento. Si lo hacía un hombre manualmente, sus probabilidades de derribar el blanco eran escasas, dada su poca velocidad de reflejos en comparación con la rapidez del avión, y su poca velocidad de pensamiento para hacer los correspondientes cálculos de las trayectorias del avión y la bala. Se hizo necesario entonces construir dispositivos automáticos para que se autorregularan a gran velocidad; ya que pasado un instante breve de tiempo el avión, al moverse cambiaba de posición y había que cambiar la dirección del cañón. El dispositivo autorregulado permitía mediante cálculos precisos y automáticos adelantar el cañón sobre la marcha para derribar el blanco en el lugar y en el instante preciso. Tal dispositivo funcionaba entonces mediante una retroalimentación eficaz. Otros ejemplos de dispositivos tecnológicos con este tipo de autorregulación son los termóstatos, que van corrigiendo sobre la marcha la cantidad de calor entregada al medio en función de la temperatura de este último (si hay mucha temperatura bajan el calor, y si hay poca lo suben). La importancia de estos sistemas de retroalimentación reside tal vez en que sus principios valen tanto para los sistemas artificiales creados por el hombre como también para los sistemas físicos, biológicos, económicos y sociales, a pesar de ser muy diversos en cuanto a estructuras y contenidos. La cibernética, ha dicho Wiener, es “el secreto de la vida”, es una llave que permite pasar del caos a los sistemas, artificiales o naturales, mediante una organización que les posibilita comportamientos orientados hacia un propósito. En todo sistema retroalimentado la información es esencial, ya que el mecanismo funciona bien si cuenta con la información correcta en el momento oportuno. Esa información debe captarse mediante ciertos sensores, como los radares (en el tiro antiaéreo) o los termómetros (en el caso del termóstato); luego debe realimentarse hacia los centros de control donde es procesada a fin de dar una respuesta, orden o señal que permita corregir el proceso sobre la marcha. 3. Reseña histórica. Antes del surgimiento oficial de la cibernética con Wiener en 1948, ya investigadores como Wagner aplicaban el principio de la retroalimentación a los procesos fisiológicos. Desde entonces, fue aplicado a innumerables fenómenos biológicos y… en Psicología y Ciencias Sociales. Llega 1948 y Wiener, estimulado por el problema del tiro antiaéreo y por el fenómeno de la retroalimentación en los seres vivos, y utilizando sus conocimientos sobre Teoría Matemática del Azar, junto con el fisiólogo A. Rosenblueth produce la obra "Cibernética o el Control de la Comunicación en el Animal y en la Máquina", donde acuña el término en cuestión. Desde entonces, la obra será la principal referencia filosófica y científica de la Cibernética. 1

Transcripción editada de: Diccionario de Teoría General de los Sistemas. Una visión panorámica del pensamiento sistémico de Ludwig von Bertalanffy, Pablo Cazau, 2002. [Editado para MS-Word por Carlos E. García, 06ago2017]. [http://omarpal.blogspot.com.ar/2007/07/teoria-general-de-sistemas-introduccin.html, 06ago2017,7:00pm] 2 Se pronuncia “uinr”.

Andando el tiempo, nuevas investigaciones sugirieron la necesidad de distinguir entre una Primera Cibernética (correspondiente al planteo original de Wiener) y una Segunda Cibernética, encargándose la primera del estudio de la retroalimentación negativa, y la segunda de la retroalimentación positiva. Los circuitos de retroalimentación negativa neutralizan las desviaciones, y por ello se llaman también morfoestáticos. Por ejemplo: dos personas que discuten entre ellas y poco a poco van calmando los ánimos hasta retornar al equilibrio original. Los circuitos de retroalimentación positiva, en cambio, amplifican las desviaciones, y por ello se llaman también morfogenéticos. Por ejemplo: las mismas dos personas discutiendo entre ellas, pero ahora con hostilidad creciente; con lo que la situación va alejandose cada vez más del equilibrio original, amplificándose las diferencias. Afortunadamente el proceso no continúa indefinidamente porque “en la realidad, los bucles 3 amplificadores siempre están articulados con bucles neutralizadores de la desviación”. 4. Relación de la Cibernética con la TGS. La Cibernética es uno de los varios enfoques de sistemas posibles, es decir, como teoría de los mecanismos de control fundada en los conceptos de información y retroalimentación, es sólo una parte de la TGS. “Resumamos algunas diferencias: a) Los sistemas cibernéticos son un caso especial -por importantes que sean- de los sistemas que exhiben autorregulación, y se refieren específicamente a las regulaciones secundarias, es decir, regulaciones basadas en mecanismos preestablecidos y caminos fijos, como el control neurohormonal. La Cibernética concibe al sistema como una 'caja negra' definida sólo por entradas y salidas, permaneciendo el genuino mecanismo regulador desconocido. La TGS tiene una visión más amplia, ya que además investiga estos íntimos mecanismos reguladores, llamados regulaciones primarias. b) Mientras la TGS trata de sistemas cerrados y abiertos, la Cibernética trata sólo de sistemas cerrados, ya que un sistema de retroalimentación es cerrado termodinámica y cinéticamente. Desde ya, al estudiar sistemas cerrados considerará también las características propias de este tipo de sistemas, como por ejemplo la idea de que en ellos la información sólo puede disminuir, nunca aumentar como en los sistemas abiertos.”

2. Ingeniería Cibernética vrs. Ingeniería de Servomecánica. Ingeniería Cibernética es la rama de la Ingeniería que tiene como propósito el estudio de la Cibernética con el objetivo de investigar [ingeniería científica] su aplicación en el diseño de sistemas controlados o guiados. 4 Le corresponde a la Ingeniería Servomecánica aplicar en la práctica los hallazgos.

3. Subsistema de control. La función de control de un sistema consiste esencialmente Figura 3.1: Subsistema de control. en garantizar que el sistema funcione según lo planificado. Controlar. Significa mantener dentro de ciertos límites de tolerancia preestablecidos el valor de uno o más atributos Sistema Atributo o de las salidas de un sistema. El atributo puede ser una condición característica propia de la salida del sistema bajo control o una condición provocada por una salida del sistema. En un Subsistema Sensor horno por ejemplo, el atributo bajo control suele ser la de control energía calorífica que produce, o la temperatura en su medición Estándar interior provocada por ese calor. corrección meta Sistema de control. El mecanismo de control de cualquier sistema, natural o artificial, es un subsistema que opera con información Unidad de Activador p/corrección gran autonomía. También se le llama servomecanismo. Los control Delta -> decisión sistemas hombre-máquina suelen requerir de intervención humana para que el servomecanismo funcione. Independientemente de su naturaleza, cualquier sistema de control tiene los cuatro elementos del modelo general que se ilustra en la Figura 3.1. a. Estándar. Valor particular del atributo o condición que se desea controlar. Normalmente el estándar se define con límites de tolerancia. El estándar está relacionado directamente con el objetivo del sistema.

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Maruyama Magoroh, "La segunda cibernética: procesos de causalidad recíproca amplificadores de la desviación", American Scientist, Vol. 51, N°2, 1963, págs. 164-179. Tsien, H.S, Engineering Cybernetics McGraw-Hill, New York, 1954; p.vii. 2

b. Sensor. Dispositivo capaz de medir periódica y continuamente el atributo o condición bajo control [obtener información]. En los animales suele actuar como sensor uno de los órganos sensoriales. En las máquinas se usan dispositivos tales como termómetros, barómetros, tacómetro, odómetros, cronómetros, radares, cámaras ópticas y glucómetros. c. Unidad de control. Mecanismo capaz de: comparar las medidas tomadas por el sensor con el estándar; decidir cuándo es necesario hacer una corrección; y generar información pertinente para la corrección. En sistemas modernos, la unidad de control suele ser un software empotrado en un microprocesador (U). d. Activador. Mecanismo que provoca y dirige acciones correctivas mediante retroalimentación al sistema controlado, a partir de la información proporcionada por la unidad de control. La corrección en sí es ejecutada por elementos del sistema controlado con base a la información proveniente del activador. Una acción de corrección pueden ser, por ejemplo, cerrar/abrir válvulas o circuitos eléctricos; regular caudales; o premiar/castigar personas. En sistemas modernos el activador suele ser un software empotrado en un microprocesador. El sensor y el activador suelen estar necesariamente en o físico con el sistema controlado; pero la unidad de control puede estar físicamente muy lejos. Por ejemplo, la operación de un vehículo en Marte se controla con una unidad de control ubicada en Houston. Una diferencia demasiado grande entre la medición y el estándar puede volver inefectiva la función de control. Se dice entonces que el sistema está “fuera de control”. Esto puede significar que los objetivos del sistema son inalcanzables a partir de la capacidad del sistema y que por lo tanto, o deben replantearse o se debe rediseñar el sistema. Condiciones de control. El flujo esencial de la función de control es información. El flujo de información de un sistema de control acarrea información sobre mediciones y acciones correctivas, indispensable para que un sistema pueda ser controlado. Cualquier sistema puede ser controlado si se cumplen tres condiciones: a. Es posible medir valores del atributo o condición bajo control y comparar los valores contra un estándar. b. Es posible activar acciones correctivas. c. La corrección puede hacerse con rapidez, antes de que la causa de la desviación sea inconsistente con la corrección.

4. Ejemplos de sistemas de control. Control istrativo. La función de control en la gestión istrativa mide periódicamente atributos de las salidas de cada subsistema de la corporación, compara estas medidas contra las metas especificas del subsistema, y genera medidas correctivas cuando se Figura 3.2: Sistema de control gerencial. hace necesario. Su objetivo es mantener los resultados dentro de ciertos límites permisibles preestablecidos en su plan estratégico corporativo. Corporación Atributo o Los principales sistemas de control istrativo de condición una corporación son las funciones de control de sus puestos gerenciales. Desde esta perspectiva, como se Gerencia SIG ilustra en la Figura 3.2, el sensor de estos sistemas es (S. Control) Plan corp. y (sensor) un sistema de información gerencial (SIG) que genera estándares Información Acción reportes al nivel gerencial conteniendo mediciones de Meta/std gerencial correctiva los atributos sujetos a control, relacionados con los objetivos, metas y estándares del sistema controlado. GERENTE información Los estándares están especificados en el manual de Jefe depto (u. Control) p/corrección estándares de la corporación y sobre todo, en los Delta -> decisión planes corporativos vigentes. La unidad de control es el gerente mismo y el activador suele ser un subalterno inmediato del gerente, como un jefe de departamento, quien coordinará la ejecución de la corrección. Control de proyectos. En la ejecución de un proyecto se controlan principalmente dos atributos: avance y costo. Los estándares de estos dos atributos están especificados en el presupuesto del proyecto y en el cronograma de actividades. El sensor es un sistema informático que provee periódicamente información sobre el avance del proyecto y sobre los desembolsos monetarios. La unidad de control es el gerente del proyecto, quien se apoya en algún subalterno, el activador, para que coordine la ejecución de las acciones correctivas derivadas de sus decisiones. Desarrollo de sistemas informáticos. El desarrollo de un sistema informático se realiza como un proyecto. Además de controlar el avance y el costo, como en todo proyecto, se requiere controlar continuamente la calidad del producto final mediante dos mecanismos de control: validación y verificación. 3

Validación. El mecanismo de validación es un conjunto de procesos que controlan la consistencia e integridad (que está completo) de los productos de una etapa de desarrollo; y de éstos con productos de una etapa previa: requerimientos vrs. expectativas de stakeholders, diseño vrs. requerimientos, implementación vrs. diseño, etc. (¿Se está desarrollando el sistema informático correcto?) Verificación. El mecanismo de verificación es un conjunto de procesos que controlan la aplicación de los métodos, procesos, procedimientos y herramientas utilizados en el desarrollo del proyecto. (¿Se está desarrollando el sistema informático correctamente?) En ambos mecanismos, el sensor es la entidad encargada del aseguramiento de la calidad del proyecto. Mide el atributo generalmente por observación. Los estándares están contenidos en un Manual de Buenas 5 Prácticas de la Ingeniería Informática adoptados por la corporación o en el Manual de Estándares de Desarrollo de Sistema Informáticos de la Corporación. La unidad de control es el gerente del proyecto, quien se apoya en sus ingenieros informáticos, el activador, para ejecutar las acciones correctivas derivadas de sus decisiones. Controles gubernamentales. El gobierno de un país o un municipio es un sistema que comprende cientos o miles de sistemas de control para el logro de sus objetivos. Entre los numerosos atributos bajo control están los relacionados con pago de impuestos, conducta ciudadana, ejecución presupuestaria, inmigración, y educación, salud y trabajo de la población. Los estándares toman en su mayoría la forma de leyes, reglamentos y decretos. Los sensores son de diversa índole, prevaleciendo sistemas informáticos y recurso humano especializado en lectura de valores de atributos pertinentes, como policías, agentes aduanales y analistas de impuestos. Las unidades de control toman la forma de juzgados o instancias similares. Los activadores son unidades gubernamentales que tienen como función principal ejecutar medidas correctivas dictadas por las instancias pertinentes como penitencierías y entidades especializadas en cobros forzados. Las acciones correctivas se concretan principalmente como amonestaciones, multas, prohibiciones y encarcelamiento. Sistemas de control biológicos. Los mecanismos de control de los sistemas biológicos han sido la “fuente de inspiración” para la creación de espectaculares sistemas cibernéticos artificiales, como el avión, el submarino, el computador, el robot y la inteligencia artificial. “Entre los sistemas de control biológico más importantes descubiertos por la ciencia, entre muchos otros, están los denominados: regulación genética; mecanismos de realimentación hormonal, inmunológica y cardiovascular; control muscular y locomotor; percepción activa, visión y recepción de información sobre la localización del cuerpo, sus movimientos y el sistema sensitivo; atención y conciencia; dinámica de poblaciones y epidemias. Cada una de ellas proporciona oportunidades para explicar lo que funciona, cómo 6 funciona [qué controla, como controla] y qué podemos hacer para afectar su funcionamiento”.

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Conjunto métodos, procedimientos y procesos que han producido buenos resultados en un determinado contexto, y que se espera que en contextos similares produzcan resultados similares. 6 “Ejemplos de control mediante realimentación”, Tutoría Virtual de A. Javier Barragán Piña. [http://uhu.es/antonio.barragan/content/12-ejemplos-control-realimentacion, 09sep2017]. 4