PROGRAMA DE ESTUDIOS: Diseño de Controladores

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1 PROGRAMA DE ESTUDIOS: Diseño de Controladores PROTOCOLO Fechas Mes/año Clave Semestre Elaboración Julio de 2007 Nivel Licenciatura X Maestría Doctorado Aprobación Ciclo Integración Básico Superior Aplicación Colegio H. y C.S. C. y T. X C. y H. Plan de estudios del que forma parte: Ingeniería en Sistemas Electrónicos Industriales Propósito(s) general(es): Reconocerá los conceptos y técnicas de Control Automático que le permitirán modificar el comportamiento de Sistemas dinámicos Lineales Invariantes en el Tiempo (LIT) de una entrada y una salida o múltiples entradas y múltiples salidas, por medio del diseño esquemas de control lineal. Carácter Modalidad Horas de estudio semestral (16 semanas) Seminario Taller Con Teóricas 4.5 Teóricas Indispensable X Autónomas Docente Curso Curso-taller X Prácticas 1.5 Prácticas Carga horaria semanal: Carga horaria Optativa * Laboratorio X Clínica 6 semestral: 96 Asignaturas Previas Análisis de señales Modelado de sistemas físicos Análisis de sistemas dinámicos Asignaturas Posteriores: Implantación digital de controladores Técnicas avanzadas de control Automatización de procesos Requerimientos para cursar la asignatura Perfil deseable del profesor: Modelar sistemas físicos (mecánicos, trasnacionales y rotacionales, hidráulicos, térmicos, eléctricos e híbridos) lineales de parámetros concentrados. Interpretar la respuesta de un sistema físico a partir de la representación gráfica de sus señales. Conocer las respuestas en el tiempo de un sistema de primer y segundo orden. Determinar la estabilidad de un sistema de una entrada una salida. Construir e interpretar las gráficas de respuesta en frecuencia, tales como Bode, Nyquist, etc. Usar el software de simulación correspondiente. Profesor con Ingeniería en Electrónica, Mecánica o Mecatrónica y Maestría o Doctorado en Control Automático. Academia responsable del programa: Academia de Ingeniería Diseñador(es): M. en I. Cecilia Cornejo Romero Dr. Daniel Pineda Noriega Dr. Sebastián Ibarra Rojas 1

2 Introducción En materias precedentes a Diseño de Controladores se proporcionaron conceptos referentes a señales y modelado de sistemas físicos (mecánicos, hidráulicos, térmicos y eléctricos). Además de las respuestas en el tiempo para sistemas de primer y segundo orden así como la respuesta en frecuencia. Además de los elementos básicos para el uso de software de simulación. La asignatura Diseño de Controladores se encuentra ubicada en el octavo semestre de la carrera Ingeniería en Sistemas Electrónicos Industriales, en ella se recurre al uso de conocimientos y habilidades obtenidas en cursos previos, que ahora se enfocan al análisis y diseño de técnicas para generar esquemas de control automático en lazo cerrado, para sistemas físicos LIT de parámetros concentrados, de una entrada y una salida o de múltiples entradas y múltiples salidas. En la parte final se estudian y se diseñan observadores y se concluye con un panorama general de técnicas de control avanzado. Las técnicas de control desarrolladas a lo largo del curso permiten implantar controladores automáticos a sistemas físicos a nivel industrial y sirven como antecedente para asignaturas tales como Implantación Digital de Controladores, Técnicas Avanzadas de Control, Automatización de Procesos, y a las opciones terminales Control e Instrumentación y Robótica y automatización. Metodología La estrategia de trabajo en Diseño de Controladores es una combinación de clase teórica y práctica en laboratorio. En la primera el profesor expone los conceptos fundamentales al respecto con ayuda de referencias impresas tales como libros y artículos científicos, además de implantaciones de esquemas de control a sistemas físicos de laboratorio o industriales. En la segunda parte pero de forma paralela se desarrollan diversas prácticas de laboratorio en simulación y sistemas físicos instrumentados electrónicamente, donde el estudiante verifica el funcionamiento de los esquemas de control diseñados. Recursos didácticos. Sesión de clase: Computadora personal y cañón de proyección. Laboratorio: Diversas plantas físicas, tales como circuitos eléctricos, sistemas mecánicos rotacionales y/o traslacionales, motores eléctricos, sistemas hidráulicos y sistemas térmicos. Se recomienda equipo y software para medición y adquisición de señales, así como para la implementación mediante software de diversas estrategias de control. Simulación digital: Se recomienda el uso de software de simulación profesional, en específico MATLAB y LABVIEW. Propósitos generales del curso: Que el estudiante: A partir de las características y restricciones del sistema físico en análisis, diseñe el esquema de control más conveniente de acuerdo a los objetivos control y especificaciones de diseño. Analice sistemas físicos y a partir de su modelo matemático y los conocimientos teóricos adquiridos a lo largo del curso, desarrolle esquemas de control, verifique su correcto funcionamiento con auxilio de software de simulación y la implantación en el sistema físico real. Sintonice los parámetros necesarios para la aplicación del esquema de control teórico desarrollado en el sistema físico real. 2

3 Temas y subtemas 1 Conceptos básicos de control automático Definir los conceptos básicos de la asignatura. Identificar los modelos y características de modelos de sistemas LIT de una entrada y una salida y aquellos de múltiples entradas y múltiples salidas. Representar por medio de diagrama de caja negra y diagrama de bloques el modelo de un sistema físico. 1.1 Definición Sistema (entradas, salidas, planta, pertubaciones, representación gráfica por medio de diagramas de bloques) Sistema lineal invariante en el tiempo Control Objetivo de control Especificaciones de control Sistema en lazo abierto Sistema en lazo cerrado Estado transitorio Estado permanente Sensibilidad Estabilidad BIBO, para sistemas SISO Y MIMO 1.2 Sistemas de una entrada una salida (SISO) y multiples entradas multiples salidas (MIMO) Función de transferencia Representación en variables de estado Simulación de sistemas dinámicos 2 Control Proporcional Integral Derivativo Reconocer las características de una acción de control: Proporcional, Proporcional Integral y Proporcional Derivativo. Emplear las técnicas de sintonización Siegler-Nichols. 2.1 Parámetros de diseño (error en estado estacionario, máximo sobrepaso y tiempo de asentamiento) 2.2 Acción de control Control Proporcional Control Proporcional Integral Control Proporcional Derivativo 2.3 Control Proporcional Integral Derivativo Conexión serie y paralelo de controlador PID Método de sintonización Siegler-Nichols En lazo abierto En lazo cerrado 3 Compensación en el dominio del tiempo Aplicar las técnicas de compensación en el dominio del tiempo para el diseño de esquemas de control automático. 3.1 Estabilización basada en Criterio de Ruth-Hurwitz 3.2 Métodos basados en el lugar geométrico de las raíces 3

4 3.3 Redes de atraso y adelanto Compensadores de atraso de fase Compensadores de adelanto de fase Compensadores de adelanto y atraso de fase Compensación en el dominio de la frecuencia Aplicar las técnicas de compensación en el dominio de la frecuencia para el diseño de esquemas de control automático. 4.1 Parámetros de diseño (ancho de banda, frecuencia de resonancia y pico de resonancia) 4.2 Métodos basados en diagramas de Bode 4.3 Métodos basados en diagramas de Nyquist 5 Control por realimentación de estados Distinguir y aplicar la definición de controlabilidad para el diseño de controladores mediante la realimentación de todos los estados 5.1 Definición de controlabilidad 5.2 Diseño de controlador por asignación de polos 6 Observadores Distinguir y aplicar la definición de observador para el diseño de observadores de orden completo. 6.1 Definición de observador 6.2 Definición de observabilidad 6.3 Diseño de observadores de orden completo 6.4 Asignación de polos con base en observadores de orden completo 7 Breve exploración sobre esquemas de control avanzado Describir en forma general las técnicas de control avanzado. 4

5 Evaluaciones Evaluación diagnóstica Verificar que el estudiante: Modela sistemas físicos (mecánicos, trasnacionales y rotacionales, hidráulicos, térmicos, eléctricos e híbridos) lineales de parámetros concentrados. Interpreta la respuesta de un sistema físico a partir de la representación gráfica de sus señales. Reconoce las respuestas en el tiempo de un sistema de primer y segundo orden. Identifica si un sistema es BIBO estable. Construye e interpreta gráficas de respuesta en frecuencia, tales como Bode, Nyquist, etc. Usar el software de simulación correspondiente. Evaluaciones formativas Evaluación formativa 1 Incluye una evolución escrita para verificar la compresión de los conceptos vistos en la unidad uno y dos y una evaluación a casa donde se recurra al uso del simulador para valorar la comprensión y diseño de las acciones de control vistas en la unidad dos. Evaluación formativa 2 La evaluación consta de un proyecto de simulación a casa para verificar que el estudiante aplica las técnicas de compensación en el dominio del tiempo para el diseño de esquemas de control automático. Evaluación formativa 3 La evaluación consta de un proyecto de simulación a casa donde se verifique que el estudiante aplica las técnicas de compensación en el dominio de la frecuencia para el diseño de esquemas de control automático. Evaluación formativa 4 La evaluación consta una evaluación de conocimientos y un proyecto de simulación a casa para se verificar que el estudiante diseña controladores mediante la realimentación de todos los estados y observadores de orden completo Evaluación para certificación La evaluación para certificación costa de dos partes, la primera de ellas es una evaluación para verificar que el estudiante distingue las definiciones explicadas a lo largo del curso. La segunda parte consta de un proyecto para revisar la aplicación de esquemas de control y observadores sobre un sistema físico. 40% evaluación teórica 60% proyecto Indicadores Conocimientos El estudiante: Distingue las definiciones explicadas a lo largo del curso Diseña controladores de tipo PID Diseña controladores por realimentación de salida en el dominio del tiempo y la frecuencia Diseña controladores por realimentación de estados. 5

6 Diseña observadores de orden completo Habilidades El estudiante: Usa de software de simulación para analizar sistemas físicos y esquemas de control. Interpreta la respuesta de un sistema planta-controlador a partir de la representación gráfica de sus señales. Implanta los esquemas de control y observadores de orden completo en sistemas teóricos y en sistemas físicos reales. Bibliografía [1] Dorf R.C., Bishop R.H.(2005), Sistemas de control moderno. 10ª. Ed, Prentice Hall/ Pearson, Madrid. [2] Nise N.S., Sistemas de control para ingeniería. 3ª. Ed, CECSA. [3] Ogata, K., (2004), Ingeniería de Control Moderna, Prentice Hall/ Pearson, México. [4] Kuo, B. C., (1997) Sistemas de control automático. Prentice Hall/ Pearson. [5] Grantham W. J., Vincent T.L. (1998), Sistemas de control moderno. Limusa. [6] Domínguez S., Campoy P., et al, Control en el espacio de estado. 2da. Ed., Prentice-Hall, 2006 [7] Cavallo, A.(1996), Using MATLAB, SIMULINK and Control toolbox. Prentice Hall, 1ª. [8] Ogata K, (2001), Problemas de Ingeniería de Control utilizando Matlab. Prentice Hall/ Pearson. [9] Dorsey J (2005). Sistemas de control continuos y discretos. McGraw-Hill, México. [10] Tewari A. (2002), Modern control design with MATLAB and SIMULINK. John Wiley & Sons. Bibliografía complementaria [11] Eronini Umez, Eronini, (2001), Dinámica de sistemas y control, Thomson Learning, México. [12] D azzo, J., (1988), Linear control system analysis and design, Mc Graw Hill, 3rd edition, USA. [13] Frederick, D., (1997), Feedback control problems using MATLAB and the control system toolbox, PWS Publishing Company, USA. [14] Lurie B.J., Enright P.J. (2000), Classical Feedback Control with MATLAB. Marcel Dekker. [15] Leigh J.R., Control theory, 2 nd edition, The Institution of Electrical Engineers, 2004 [16] Åström K.J., Hägglund T. (2006), Advances PID control. ISA. [17] Visioli A. (2006), Practical PID control. Springer, Advances in Industrial Control. 6