PLANIFICACIÓN AULA SISTEMAS DE CONTROL - 6º 2º ELCA ÁREA ELECTRÓNICA

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1 E.T. Nº 17 Brig. Gral. Don Cornelio Saavedra PLANIFICACIÓN AULA SISTEMAS DE CONTROL - 6º 2º ELCA ÁREA ELECTRÓNICA PROFESOR A CARGO: Ing. Alejandro Gustavo Demolli HORAS SEMANALES: 6 1) DIAGNÓSTICO: Esta asignatura de 6º año de la Especialidad Electrónica, requiere como pilares necesarios para su estudio, los conocimientos adquiridos en las siguientes asignaturas de 5º año: Teoría de los circuitos II, Electrónica II, Instrumentación y Máquinas eléctricas. También son importantes, como fundamentos básicos para su comprensión, las materias de 4º año: Análisis matemático, Teoría de los circuitos I y Electrónica I. Los conocimientos mínimos que se evalúan para esta asignatura, están básicamente relacionados con la asignatura Teoría de los Circuitos II de 5º año y comprenden la resolución de circuitos eléctricos pasivos mediante la Transformada de Laplace. En cuanto al grupo de alumnos recibidos en el presente ciclo lectivo, se procedió al repaso de lo que juntos estudiamos en dicha asignatura durante el año próximo-pasado en el curso de 5º 2º ELCA. El resultado general fue satisfactorio. 2) FUNDAMENTACIÓN Y PROPÓSITOS DE LA ASIGNATURA: Los sistemas de control, se encuentran a diario en nuestra vida cotidiana y, en gran cantidad, en muchos sectores de la industria, tales como el control de calidad de productos manufacturados, líneas de ensamble automático, control de máquinasherramientas, tecnología espacial, sistemas de guiado de armas, control por computadora, sistemas de transporte, sistemas de control de potencia, robótica y muchos otros. Esta asignatura se propone el estudio de los sistemas de control de lazo cerrado compuestos por dispositivos electrónicos, eléctricos, mecánicos, electromecánicos, hidráulicos, de nivel, térmicos y combinaciones de ellos, analizando sus transferencias y sus respuestas de régimen permanente, transitoria y frecuencial. En lo que respecta a la articulación horizontal con materias afines, es perfectamente factible la implementación de aplicaciones prácticas integradoras, con la asignatura: Laboratorio de computadoras electrónicas. Dichas prácticas comprenden temas de análisis y diseño de sistemas de control elementales, desarrollados en base a circuitos electrónicos básicos ó de gran escala de integración como son los microprocesadores y/o microcontroladores. 2) CONTENIDOS DE ENSEÑANZA: Unidad 1.- INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DE CONTROL: Repaso de conceptos matemáticos (Ecuaciones diferenciales, vectores, matrices, números complejos, transformada de Laplace. Reseña histórica de los S.C. Definiciones (Proceso, sistema, entrada, salida, perturbación, etc.). S.C. a lazo abierto y a lazo cerrado, características y comparación. Retroalimentación y acción de control. Sistemas lineales y alineales. Modelos para representar a los S.C. Ejemplos. Hoja 1 de

2 Funciones y matrices de transferencia. Ecuación característica. Tiempo estimado de dictado: 18 horas (3 semanas). Unidad 2.- RESOLUCIÓN DE S.C. A LAZO CERRADO: Análisis y representación de sistemas mediante diagramas funcionales, de bloques y de flujo de señal. Reducción de diagramas y determinación de la transferencia de un sistema, a través del álgebra de bloques y el método de Masson. Ejemplos y ejercitación. Tiempo estimado de dictado: 30 horas (5 semanas). Unidad 3.- MODELOS MATEMÁTICOS DE SISTEMAS FÍSICOS REALES: Representación y cálculo de transferencias de sistemas reales de distinta naturaleza: eléctricos, mecánicos, de nivel, hidráulicos, térmicos, electrónicos y combinados. Ejercitación. Linealización de sistemas no lineales. Concepto de robustez. Ejemplos de Aplicación. Tiempo estimado de dictado: 42 horas (7 semanas). Unidad 4.- ANÁLISIS DE LA RESPUESTA TEMPORAL TRANSITORIA: Respuesta transitoria de sistemas de 1er. y 2do. orden ante señales impulso de Dirac, escalón, rampa. Análisis de un sistema de mayor orden. Polos dominantes. Tiempo estimado de dictado: 18 horas (3 semanas). Unidad 5.- ANÁLISIS DE LA RESPUESTA PERMANENTE Ó DE ESTADO ESTABLE: Señal de actuación y señal de error. Errores en estado estable para diferentes señales de entrada. Ganancia y sensibilidad estática del lazo. Tipos de sistemas. Coeficientes estáticos de error. Tiempo estimado de dictado: 18 horas (3 semanas). Unidad 6.- CONTROLADORES Y FILTROS DE COMPENSACION: Mejoras en las respuestas de régimen transitorio y permanente. Compensaciones mediante acciones proporcionales, integrales y derivativas. Controladores P, PI, PD y PID y métodos de ajuste. Tiempo estimado de dictado: 18 horas (3 semanas). Unidad 7.- RESPUESTA EN FRECUENCIA Y ESTABILIDAD DE UN S.C.: Diagramas de polos y ceros. Diagramas de Bode. Condiciones de estabilidad. Criterios para analizar la estabilidad de un sistema (Routh, Nyquist y lugar de raíces). Márgenes de ganancia y fase. Tiempo estimado de dictado: 24 horas (4 semanas). Unidad 8.- MICROCONTROLADORES Y CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES (PLC): El microcontrolador como computadora digital completa en un único dispositivo, dedicado y embebido en una aplicación de control. El PLC como dispositivo de control de programación sencilla, para aplicaciones industriales. Descripción gral. Tipos de variables soportadas. Conversión A/D y D/A. Estructura interna y funcionamiento gral. en la ejecución de un programa. Conceptos de Watch dog, protección de memoria y back-up. Direccionamiento de elementos discretos y numéricos. Tiempo de scan. Módulos de E/S: tipos, circuitos internos y protecciones. Comunicación y control mediante PLC. Unidades de programación. Lenguajes de programación: ladder, bloques funcionales y lenguajes secuenciales. Ejercicios y ejemplos de programación mediante PC. Comparación de características entre distintas marcas y modelos comerciales. Tiempo estimado de dictado: 48 horas (8 semanas). 3) OBJETIVOS DE APRENDIZAJE: Hoja 2 de

3 a) Afirmar los conocimientos matemáticos mínimos para la comprensión de la materia. b) Conocer la terminología utilizada en el tratamiento de un problema de control. c) Diferenciar entre sistemas de lazo abierto y lazo cerrado, lineales y alineales. d) Conocer las distintas formas de representar un problema real de control. e) Obtener transferencias de distintos sistemas físicos reales, por distintos métodos de reducción de bloques. f) Hallar transferencias de elementos simples de naturaleza eléctrica, mecánica, electromecánica, térmica, hidráulica, electrónica, etc. g) Conocer el funcionamiento de sistemas completos y entender la metodología para representarlos mediante los diagramas de bloques. h) Analizar la respuesta transitoria de un sistema de orden 1, 2 y "n". i) Interpretar los conceptos de señal de error y de actuación, ganancia del sistema, sensibilidad estática del lazo y tipo de servo. j) Calcular y relacionar los distintos coeficientes estáticos de error y errores de régimen permanente. k) Conocer qué compensaciones mejoran las respuestas transitoria y permanente de un sistema. l) Saber aplicar los conceptos aprendidos en la implementación de acciones de control proporcionales, integrales y derivativas. m) Interpretar los conceptos de estabilidad, margen de ganancia y de fase y los distintos criterios de estabilidad de un sistema. n) Conocer, aplicar e interpretar los resultados de un método completo de análisis de estabilidad. o) Integrar los conocimientos adquiridos en la Asignatura "Laboratorio de computadoras", en la implementación práctica de un sistema de contol basado en un microcontrolador de las líneas Atmel, Motorola ó PIC de Microchip. p) Conocer la estructura interna básica y funciones de un PLC. q) Describir el funcionamiento general de un PLC y definir los principales conceptos que lo caracterizan. r) Analizar los distintos lenguajes de programación y aplicarlos en la realización de programas sencillos. s) Conocer los pasos para efectuar el ingreso de un programa y sus datos a un PLC, mediante PC, ejecutarlo, depurar errores de sintaxis y de lógica y guardarlo en memoria no volátil. 4) ANEXOS: I) TRABAJOS PRÁCTICOS A DESARROLLAR: A) DE AULA: 1.- Comparación entre sistemas de control a lazo abierto y a lazo cerrado. 2.- Reducción de diagramas de bloques por el método del álgebra de bloques. 3.- Reducción de diagramas de bloques por el método de Masson. Hoja 3 de

4 4.- Modelos matemáticos y diagramas de bloques para sistemas eléctricos. 5.- Modelos matemáticos y diagramas de bloques para sistemas mecánicos de traslación y de rotación. 6.- Modelos matemáticos y diagramas de bloques para sistemas electromecánicos. 7.- Modelos matemáticos y diagramas de bloques para sistemas de nivel de líquidos e hidráulicos. 8.- Modelos matemáticos y diagramas de bloques para sistemas térmicos. 9.- Análisis transitorio de sistemas de distinto orden Análisis de estado estable de sistemas de distinto tipo Compensaciones en las respuestas y controladores Respuesta en frecuencia y estabilidad de un sistema de control Investigación de las características principales de distintos PLCs Programación de PLCs mediante diagramas ladder y lenguajes secuenciales como el grafcet. B) DE LABORATORIO: 1.- Obtención de la función transferencia de un sistema mediante el programa MATLAB. 2.- Estudio de la respuesta transitoria de un sistema a un entrada tipo escalón y tipo rampa, mediante MATLAB y SIMULINK. 3.- Respuesta en frecuencia y ajuste de ganancia mediante MATLAB. 4.- Respuesta de un sistema de 2do. orden ante un escalón con SIMULINK. 5.- Trazado del lugar de raíces de un sistema realimentado mediante MATLAB. 6.- Desarrollo de programas en lenguaje ladder para ensayarse en distintos controladores lógicos programables como el Zelio-logic de Schneider o el Logo de Siemens. II) CRITERIOS E INSTRUMENTOS DE EVALUACIÓN: a) Aprobación de los Trabajos prácticos de aula, lo cual contempla la participación en clase y la elaboración de trabajos escritos en forma grupal. b) Aprobación de los exámenes previos a cada práctica de laboratorio en forma individual y de sus respectivos informes en forma grupal. c) Aprobación de las lecciones orales que se presenten durante el año. d) Aprobación de las pruebas escritas teórico-prácticas. III) BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA: INGENIERÍA DE CONTROL - Autor BOLTON W. - Editorial ALFAOMEGA GRUPO EDITOR ARGENTINO S.A. SISTEMAS DE CONTROL AUTOMÁTICO - Autor KUO BENJAMIN C. - Editorial PRENTICE-HALL. TEORÍA DE CONTROL - DISEÑO ELECTRÓNICO - Autor GOMARIZ CASTRO SPARTACUS, BIEL DOMINGO, MATAS JOSE, REYES MIGUEL - Editorial ALFAOMEGA GRUPO EDITOR ARGENTINO S.A. INGENIERÍA DE CONTROL MODERNA - Autor OGATA KATSUHIKO - Editorial PEARSON EDUCACIÓN. Hoja 4 de

5 APUNTES DE LA ASIGNATURA. Hoja 5 de