FA IMCT-2010-229 Control.pdf - Instituto Tecnológico de Matamoros

1.- DATOS DE LA ASIGNATURANombre de la asignatura : ControlCarrera : Ingeniería MecatrónicaClave de la asignatura : MTJ-1006SATCA 1 4 - 2 - 62.- PRESENTACIÓNCaracterización de la asignatura.Esta asignatura aporta al perfil del Ingeniero Mecatrónico la capacidad para explicary realizar el control lineal de los sistemas dinámicos. Permite la utilización deherramientas que simulen, analicen y diseñen controladores para sistemas decontrol.La materia en su constitución ha tenido especial interés en abordar los diferentescampos de las ingenierías y de la tecnología donde se da la mayor aplicación deenfoques de control sin dejar de lado la importancia que reviste en los camposdiversos en el quehacer profesional.La asignatura es columna vertebral de las diversas ingenierías, pues ofrece elconocimiento de diversos sistemas dinámicos y sus características fundamentalesde funcionamiento. Temas como estabilidad, margen de error, rapidez, robustez yotros más son considerados con especial atención contemplando los enfoquesclásico y moderno en el tratamiento de las señales en el proceso de control.El profesional en el desempeño cotidiano será capaz de comprender lascaracterísticas, parámetros y conceptos intrínsecos de un sistema de control alobservar sus diferentes respuestas ante entradas diversas, y podrá realizar ajustesque permitan la optimización de los sistemas con enfoques actuales.Intención didáctica.El temario considera cinco unidades, contemplando en su primera unidad laidentificación de los sistemas y sus diferentes características.La unidad dos comprende el entendimiento claro de lo que significa y de laaplicabilidad del concepto de Función de Transferencia en los sistemas. Considerala identificación de los sistemas ante diferentes tipos de entradas, identificando sussalidas y los diferentes ordenes de operación del sistema. Centralmente se evalúa la1Sistema de Asignación y Transferencia de Créditos Académicos

autonomía y en consecuencia actué de manera profesional.Es necesario que el profesor ponga atención y cuidado en estos aspectos y losconsidere en el desarrollo de las actividades de aprendizaje de esta asignatura.

3.- COMPETENCIAS A DESARROLLARCompetencias específicas:Competencias genéricas:• Adquirir los conocimientosCompetencias instrumentalesnecesarios para evaluar, analizar,• Capacidad de análisis y síntesiscomprender, construir, sintonizar,• Capacidad de organizar y planificarcontrolar y mantener sistemasdinámicos invariantes en el tiempo• Conocimientos básicos de la carrerapara diferentes procesos• Comunicación oral y escritaindustriales.• Conocimiento de la Transformada deLaplace• Habilidades básicas en el modelado desistemas mediante la utilización de laTransformada de Laplace.• Habilidades básicas de manejo de lacomputadora• Habilidad de manejo de software deIngeniería• Habilidad para simular mediantemodelaje matemático los sistemasfísicos• Conocimiento de electrónica analógica• Habilidad para buscar y analizarinformación proveniente de fuentesdiversas• Solución de problemas• Toma de decisiones.Competencias interpersonales• Capacidad crítica y autocrítica• Trabajo en equipo• Habilidades interpersonales• Creatividad• Habilidad de modelarCompetencias sistémicas• Capacidad de aplicar los conocimientosen la práctica• Habilidades de investigación• Capacidad de aprender• Capacidad de generar nuevas ideas(creatividad)• Habilidad para trabajar en formaautónoma• Búsqueda del logro

4.- HISTORIA DEL PROGRAMALugar y fecha deParticipanteselaboración o revisiónRepresentantes de los InstitutosTecnológicos de:Apizaco, Celaya, CiudadCuauhtémoc, Cuautla, Durango,Instituto TecnológicoSuperior de Irapuato del24 al 28 de agosto de2009.Desarrollo de Programasen CompetenciasProfesionales por losInstitutos Tecnológicosdel 1 de septiembre al 15de diciembre de 2009.Instituto Tecnológico deMexicali del 25 al 29 deenero de 2010.Guanajuato, Hermosillo,Huichapan, Irapuato, Jilotepec,Jocotitlán, La Laguna, Oriente delEstado de Hidalgo, Pabellón deArteaga, Parral, Reynosa, Saltillo,San Luis Potosí, Tlalnepantla,Toluca y Zacapoaxtla.Academias de IngenieríaMecatrónica de los InstitutosTecnológicos de:Aquí va los tecRepresentantes de los InstitutosTecnológicos de:Apizaco, Celaya, CiudadCuauhtémoc, Cuautla, Durango,Guanajuato, Hermosillo,Huichapan, Irapuato, Jilotepec,Jocotitlán, La Laguna, Mexicali,Oriente del Estado de Hidalgo,Pabellón de Arteaga, Reynosa,Saltillo, San Luis Potosí, Toluca yZacapoaxtla.EventoReunión Nacional deDiseño e InnovaciónCurricular para elDesarrollo y Formación deCompetenciasProfesionales de laCarrera de IngenieríaMecatrónica.Elaboración del programade estudio propuesto en laReunión Nacional deDiseño Curricular de laCarrera de IngenieríaMecatrónica.Reunión Nacional deConsolidación de losProgramasenCompetenciasProfesionales de laCarrera de IngenieríaMecatrónica.

5.- OBJETIVO GENERAL DEL CURSOAdquirir los conocimientos necesarios para evaluar, analizar, comprender, construir,sintonizar, controlar y mantener sistemas dinámicos invariantes en el tiempo paradiferentes procesos industriales.6.- COMPETENCIAS PREVIAS• Asociar el comportamiento de variables en el tiempo continuo, con unarepresentación gráfica y una representación analítica de una variable complejaS, de un modelo de sistema lineal e invariante en el tiempo.• Identificar características de sistemas LTI (Linear Time Invariant) utilizando surepresentación en la Transformada de Laplace.• Caracterización de sistemas dinámicos en el dominio del tiempo, en el planocomplejo (S) y en de la frecuencia.7.- TEMARIOUnidad Temas Subtemas1 Introducción a la teoríade control2 Análisis de sistemasrealimentados en eltiempo3 Análisis y diseño decontroladores en el1.1 Reseña del desarrollo de los sistemas decontrol1.2 Definiciones1.2.1 Elementos que conforman lossistemas de control1.2.1.1 Lazo Abierto1.2.1.2 Lazo Cerrado1.2.2 Ejemplo de sistemas de control1.3 Control Clásico contra Control Moderno2.1 Tipos de sistemas y error de estadoestacionario y dinámico2.1.1 Tipos de sistemas2.1.2 Análisis de error2.1.2.1 Coeficientes estáticos deerror2.1.2.2 Error de estadoestacionario2.1.2.3 Coeficientes de errordinámico2.1.3 Criterios de error2.1.4 Introducción a la optimización desistemas2.2 Criterio de Estabilidad de Routh-Hurwitz2.3 Técnicas del lugar de las raíces2.4 Reubicación de polos y ceros3.1. Definición de características de uncontrolador

tiempo4 Análisis y diseño decompensadores en lafrecuencia5 Introducción al diseño decontroladores en espaciode estado3.2 Tipos de controladores: P, PI, PD y PID3.3 Método del lugar geométrico de las raíces3.4 Controladores clásicos porretroalimentación3.4.1 Reglas de Ziegler-Nichols3.4.2 Aplicación de las reglas de Ziegler-Nichols3.4.3 Selección y sintonización delcontrolador3.5 Aplicaciones en la solución de problemasreales4.1 Criterio de Estabilidad por Bode (Margende ganancia y fase)4.3 Compensación con Bode4.3.1 Compensación en adelanto4.3.2 Compensación en atraso4.3.3 Compensación en adelanto-atraso4.4 Aplicaciones en la solución de problemasreales5.1 Introducción5.2 Estabilidad en el espacio estado: Punto deequilibrio o punto crítico5.3 Retroalimentación del vector de estado yasignación de valores propios, ejemplos

8.- SUGERENCIAS DIDÁCTICASEl profesor debe:Ser conocedor de la disciplina de control, la cual está bajo su responsabilidad,conocer su origen y desarrollo histórico para considerar este conocimiento al abordarlos temas. Desarrollar la capacidad para coordinar y trabajar en equipo; orientar eltrabajo del estudiante y potenciar en él la autonomía, el trabajo cooperativo y la tomade decisiones. Mostrar flexibilidad en el seguimiento del proceso formativo y propiciarla interacción entre los estudiantes. Tomar en cuenta el conocimiento de losestudiantes como punto de partida para la construcción de nuevos conocimientos.• Propiciar actividades de metacognición. Ante la ejecución de una actividad,señalar o identificar el tipo de proceso intelectual que se realizó: unaidentificación de patrones, un análisis, una síntesis, la creación de unheurístico, etc. Al principio lo hará el profesor, luego será el alumno quien loidentifique. Ejemplos: reconocer el orden de un sistema físico dada la funciónde transferencia del mismo: reconocimiento de patrones; elaboración de unprincipio a partir de una serie de observaciones producto de un experimento:síntesis.• Propiciar actividades de búsqueda, selección y análisis de información endistintas fuentes. Ejemplo: buscar y contrastar comportamientos comoaquellos de segundo orden, identificando puntos de coincidencia y diferenciaentre ellos en cada situación concreta (subamortiguado, criticamenteamortiguado, sobreamortiguado).• Fomentar actividades grupales que propicien la comunicación, el intercambioargumentado de ideas, la reflexión, la integración y la colaboración de y entrelos estudiantes. Ejemplo: al socializar los resultados de las investigacioneshechas a partir de software de simulación (Matlab) y las experiencias prácticassolicitadas como trabajo extra clase.• Observar y analizar fenómenos y problemáticas propias del campoocupacional. Ejemplos: el proyecto final se realizará tomando en cuenta elcontenido de todas las unidades.• Relacionar los contenidos de esta asignatura con las demás del plan deestudios a las que ésta da soporte para desarrollar una visión interdisciplinariaen el estudiante. Ejemplos: señalar que el control continuo basado en Laplaceestudiado en esta clase puede ser extendido a un control discreto basado entransformada Z con conceptos similares, y que ambos son necesarios paracontrolar el movimiento de robots, los cuales son necesarios para implementarmanufactura integrada por computadora, etc.• Propiciar el desarrollo de capacidades intelectuales relacionadas con lalectura, la escritura y la expresión oral. Ejemplos: trabajar las actividadesprácticas a través de guías escritas, redactar reportes e informes de lasactividades de experimentación, exponer al grupo las conclusiones obtenidasdurante las observaciones.

• Facilitar el contacto directo con materiales e instrumentos, al llevar a caboactividades prácticas, para contribuir a la formación de las competencias parael trabajo experimental como: identificación manejo y control de variables ydatos relevantes, planteamiento de hipótesis, trabajo en equipo.• Propiciar el desarrollo de actividades intelectuales de inducción-deducción yanálisis-síntesis, que encaminen hacia la investigación.• Desarrollar actividades de aprendizaje que propicien la aplicación de losconceptos, modelos y metodologías que se van aprendiendo en el desarrollode la asignatura.• Proponer problemas que permitan al estudiante la integración de contenidosde la asignatura y entre distintas asignaturas, para su análisis y solución.• Relacionar los contenidos de la asignatura con el cuidado del medio ambiente.• Cuando los temas lo requieran, utilizar medios audiovisuales para una mejorcomprensión del estudiante.• Propiciar el uso de las nuevas tecnologías en el desarrollo de la asignatura(Matlab, LabView, Mathematica, Simmon, CircuitMaker, Internet, etc.).

9.- SUGERENCIAS DE EVALUACIÓNLa evaluación debe ser continua y formativa por lo que se debe considerar eldesempeño en cada una de las actividades de aprendizaje, haciendo especialénfasis en:• Ejercicios y problemas en clase• Exposición de temas por parte de los alumnos con apoyo y asesoría delprofesor• Evaluación trabajos de investigación entregados en forma escrita• Evaluación por unidad para comprobar el manejo de aspectos teóricos ydeclarativos• Evaluación de las prácticas por unidad, considerando los temas que éstacontiene• Evaluación de las aplicaciones del contenido de la materia• Considerar reporte de un proyecto final que describa las actividadesrealizadas y las conclusiones del mismo10.- UNIDADES DE APRENDIZAJEUnidad 1: Introducción a la teoría de controlCompetencia específica a desarrollarIdentificar los sistemas decontrolConocer el principio deoperación de sistemas decontrol de lazo abierto y delazo cerradoIdentificar en la vida realsistemas y de ellos poderubicar las característicasprincipalesActividades de Aprendizaje• Discutir sobre los diferentes sistemas de lavida real, identificar la naturaleza de cadasistema.• Saber ubicar las propiedades de cadasistema.• Poder delimitar el sistema. Identificar lasrelaciones de partes (componentes) delsistema• Ejemplificar sistemas de lazo abierto ysistemas de lazo cerrado, ubicándolos enestas dos clasificaciones.• Proponer posibles modificaciones a lossistemas para pasar de un lazo abierto acerrado y de un sistema de lazo cerrado auno de lazo abierto, evaluando lasconveniencias de realizar tal ejercicio.Unidad 2: Análisis de sistemas realimentados en el tiempoCompetencia específica a desarrollarActividades de AprendizajeIdentificar los diferentes tiposde señales que se emplean• Comprender a través de ejerciciosmatemáticos el orden que puede llegar a

como entrada a los sistemasIdentificar los órdenes queconstituyen la función detransferencia de un sistemadeterminadoInterpretar el concepto de cero(zero) y polo en las funcionesde transferenciaComprender el concepto derespuesta transitoria yrespuesta de estado estable enla salida del sistemaComprender y analizar elconcepto de error estacionarioy dinámico.Utilizar métodos básicos deoptimización de sistemasEvaluar estabilidad de unsistema por medio de la técnicaalgebraica de Ruth-Hurwitztener una función de transferencia yobservar su salida.• Elaborar con amplificadores operacionalesprácticas (filtros análogos) que permitancomprobar el tipo de orden de un sistemay su respuesta.• Identificar los ceros y polos de un sistemaaplicado matemáticas descriptivas.• Utilizar software de simulación (Matlab,SciLab, etc.) para reforzar los conceptos.• Comprender los errores estacionario ydinámico mediante el análisis de lasgráficas de la respuesta de los sistemas.• Realizar cálculos matemáticos para ubicarlas diferencias entre sistemas y ordenesde estos, aplicando diferentes criterios.• Realizar ejercicios (clase y extraclase) conlos métodos básicos para la optimizaciónde sistemas.• Comprender e interpretar mediantegráficas el concepto de estabilidad.• Realizar variaciones al grado del sistema ya las señales de entrada para observar elcambio en el parámetro de estabilidad.• Aplicar la técnica algebraica de Routh-Hurwitz desarrollando ejercicios.• Utilizar la metodología para graficar ellugar geométrico de las raíces y poderrealizar modificaciones (reubicación),observando la repercusión en la salida delsistema.Comprender la técnica deidentificación de polos llamadalugar de las raíces y reubicarpolos y cerosUnidad 3: Análisis y diseño de controladores en el tiempoCompetencia específica a desarrollarActividades de AprendizajeComprender el funcionamientode un controlador en unsistema.• Identificar el papel que juega uncontrolador en el estudio de los sistemas.• Utilizar los controladores P, PI, PD y PID.

Identificar los tipos decontroladoresSintonizar controladoresmediante el método de Ziegler-Nichols• Utilizar el método Ziegler-Nichols en lasintonización de controladores sobresistemas con función de transferenciaexplícita y matemática y sobre sistemascon función de transferencia desconocida.• Utilizar el método del lugar geométrico delas raíces para sintonizar controladores.Sintonizar controladoresmediante el método del lugarde las raícesAplicar en sistemasobservados en unidadesanteriores los métodos desintonización y observardiferenciasUnidad 4: Análisis y diseño de compensadores en la frecuenciaCompetencia específica a desarrollarActividades de AprendizajeComprender el significado delas gráficas de BodeElaborar gráficas de Bodeconociendo los conceptos demargen de ganancia y margende faseComprender lascompensaciones posibles en elestudio de sistemas en eldominio de la frecuenciaEvaluar los sistemas realesvistos con anterioridad• Identificar los parámetros presentes en lasgráficas de Bode• Elaborar manualmente gráficas odiagramas de Bode• Utilizar software para elaborar gráficas deBode• Evaluar ejemplos vistos en unidadespasadas en el tema de gráfica de Bode• Identificar el concepto de estabilidad, errory rapidez a partir de las gráficas de Bode.• Examinar las características de loscompensadores en atraso, adelanto yadelanto-atraso.• Diseñar compensadores en atraso,adelanto y adelanto-atraso.• Aplicar los compensadores en atraso,adelanto y adelanto-atraso.Unidad 5: Introducción al diseño de controladores en espacio de estadoCompetencia específica a desarrollarActividades de AprendizajeComprender el significado deespacio de estado• Comprender a plenitud el conceptomoderno de espacio de estado

Comprender el significado depunto de equilibrioEvaluar ejemplos• Ubicar el punto de equilibrio en lossistemas por este método• Observar como influye el concepto deretroalimentación del vector de estadoHaga clic aquí para escribir texto.

11.- FUENTES DE INFORMACIÓN1. Kuo, Benjamín C., Sistemas de control automático, 7ª edición, Ed. PrenticeHall, (1996)2. Ogata, Katsuhiko, Ingeniería de control moderna, 3ª edición, Ed. Prentice Hall,(1992)3. William L. Brogan, Modern control theory, 3 th edition, Ed. Prentice Hall, (1991)4. Distefano, Stubberud y Williams, Retroalimentación y sistemas de control, 2ªedición, Ed. Mc Graw Hill, (1992)5. Dorf, Richard C., Sistemas modernos de control, 2ª edición, Ed. AddisonWesley, (1989)6. Roca Cusidó, Alfred, Control de procesos, Ed. Alfaomega,(1999)7. Umez_Eronini E., Dinámica de sistemas y control, Ed. International ThomsonEditors, (2001)8. Nise, Norman S., Sistemas de Control para Ingeniería, 3 a Ed., EditorialC.E.C.S.A., 200212.- PRÁCTICAS PROPUESTAS• Diseño y simulación por software de controladores y compensadoresaplicados en sistemas de control realimentado utilizando software a nivelsistema como Matlab, y software a nivel implementación como CircuitMakerque incluyan los temas de estabilidad, lugar de las raíces, Bode y variables deestado.• Modelación, construcción, caracterización y sintonización física de un sistemade control realimentado que sea factible de implementar con los mediosdisponibles.