INGENIERÍA AERONÁUTICA TEORÍA DE CONTROL I SÍLABO

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1 I. DATOS GENERALES: INGENIERÍA AERONÁUTICA TEORÍA DE CONTROL I SÍLABO 1.1 ASIGNATURA : Teoría de Control I 1.2 CÓDIGO : PRE-REQUISITO : HORAS SEMANALES : TEORÍA : PRÁCTICA : N DE CRÉDITOS : CICLO : VI 1.7 TIPO DE CURSO : Obligatorio 1.8 DURACIÓN DEL CURSO : 18 Semanas en total 1.9 CURSO REGULAR : 17 Semanas 1.10 EXAMEN SUSTITUTORIO : 01 Semana II. DESCRIPCIÓN DE LA ASIGNATURA La asignatura es de naturaleza teórico - práctica, su desarrollo académico es semestral y se encuentra ubicada en el Área de Formación de la especialidad, en conocimientos relacionados con los aspectos siguientes: Introducción a sistemas de control. Modelos matemáticos. Análisis de funcionamiento de sistemas de control. Métodos gráficos de análisis de sistemas de control. Análisis de sistema de control mediante variables de estado. III. OBJETIVOS Objetivó General Capacitar al estudiante para el análisis de los principios de operación y funcionamiento de los sistemas de control automático; así como en las técnicas clásicas y modernas de análisis de sistemas lineales de datos continuos e invariantes en el tiempo, mediante el estudio de los fundamentos de la teoría de la realimentación y del análisis de sistemas de control basados en métodos que utilizan la transformada de Laplace según la teoría clásica de control. Fundamentos Un curso de Sistemas de Control actualmente forma parte de prácticamente todas las carreras de ingeniería eléctrica, electrónica, mecánica, química e industrial. La utilización creciente de electrónica, microprocesadores y computadoras hacen imprescindible los conocimientos básicos que provee un INGENIERÍA AERONÁUTICA: TEORÍA DE CONTROL I Página 1

2 curso de Control Automático para la carrera Ingeniería Electrónica. Por otro lado las técnicas de control son cada vez más utilizadas para resolver problemas sociológicos, biológicos y económicos. Siendo básica su principal función es proveer conocimientos y herramientas para que los alumnos aprovechen mejor asignaturas más avanzadas: Control por computadoras, control no lineal, control robusto, electrónica de potencia etc. También provee una introducción a una disciplina especializada. Los estudiantes adquieren conocimientos sobre dinámica de sistemas, las ventajas y consecuencias de la realimentación, el modelado matemático de sistemas mediante transformada de Laplace, respuesta de frecuencia, etc. Al finalizar el curso los alumnos serán capaces de: 1. Entender el concepto y empleo de los Sistemas de Control, así como los Modelos Matemáticos de los sistemas de realimentación. 2. Desarrollar diferentes sistemas de control con realimentación, mediante el empleo del Método del lugar geométrico de las raíces, el Método de respuesta en frecuencia y el análisis de Estabilidad en el dominio de la frecuencia, el Diseño y compensación de sistemas de control con realimentación. Objetivos Específicos 1. Conocer los métodos de análisis para el cálculo en problemas relacionados a los sistemas de control automático. 2. Conocer métodos, procedimientos y técnicas para elaborar sistemas automáticos realimentados. 3. Adoptar una actitud disciplinada perseverante y metódica en el trabajo intelectual. IV. METODOLOGÍA El docente hará la presentación introductoria del curso y del sílabo. Promoverá en todo momento el diálogo espontáneo y la participación activa de los alumnos en la adquisición de conocimientos y dominio del tema, motivándolo a participar en actividades y talleres. Propuesta pedagógica La filosofía de la metodología de enseñanza a aplicar es, la indicada por Richard Dorf en el prefacio de su libro (ver bibliografía básica): El hombre no puede heredar el pasado, debe crearlo de nuevo. El camino más importante y productivo del aprendizaje es, para el lector, descubrir y crear nuevamente las respuestas y métodos del pasado. Por lo tanto, el ideal es presentar al estudiante una serie de problemas y preguntas e indicarle algunas INGENIERÍA AERONÁUTICA: TEORÍA DE CONTROL I Página 2

3 de las respuestas obtenidas en décadas pasadas. El método tradicional de presentar al estudiante la solución terminada en vez del problema, significa privarlo de todo estímulo, cortar su impulso creativo y reducir la aventura de la humanidad a un empolvado montón de teoremas. El objetivo es, entonces, que seguimos confrontando, porque se puede afirmar que verdaderamente aprendemos y entendemos lo que descubrimos por nosotros mismos. Se utilizarán métodos y técnicas aplicables al campo profesional y se emplearán recursos materiales: 1. Métodos: a. Inductivo-deductivo. b. Analítico sintético. 2. Técnicas: a. Dinámica grupal. b. Exposición individual y grupal c. Uso intensivo de bibliografía básica, complementaria y electrónica. d. Comentarios individuales sobre temas del curso en todo momento: antes, durante y después de la clase. e. Asesorías. Los métodos y técnicas tienen por finalidad que el alumno adquiera las herramientas necesarias para su autodesarrollo continuo durante los siguientes ciclos y, además, que tenga la motivación suficiente para la participación en talleres, actividades culturales y eventos científicos relacionados con su carrera. 3. Recursos materiales: Pizarra y tizas Material Audiovisual: - Data Show - Internet, extranet e intranet El alumno deberá presentarse obligatoriamente a clases con los materiales necesarios para efectuar su trabajo. Al inicio del curso, el profesor hará la presentación introductoria del mismo y explicará el sílabo, enfatizando que promoverá la práctica, talleres, investigación y el diálogo constante con los alumnos para ayudar a que fijen y profundicen mejor los conceptos, los métodos y conocimientos que vayan adquiriendo. INGENIERÍA AERONÁUTICA: TEORÍA DE CONTROL I Página 3

4 Se resaltará la importancia de la participación espontánea de los alumnos en las clases teóricas y prácticas del curso y que como estudiantes universitarios, no sólo deben limitarse a conocer lo tratado en clase, sino que deben investigar sobre los diferentes temas tratados. En esencia, la asignatura se desarrollará con los siguientes lineamientos metodológicos: 1. El profesor del curso, en cada clase presentará: el fundamento teórico de los diferentes temas, siguiendo el orden que se señala en el programa analítico. Además desarrollará talleres de problemas y propiciará y estimulará la intervención de los alumnos en la clase. Dejará temas y trabajos prácticos (problemas) de diferentes niveles de complejidad, para que los alumnos investiguen y /o desarrollen en grupo o en forma personal. 2. En caso que los alumnos encuentren dificultad para resolver cualquier problema relacionado con la asignatura, podrán acudir a realizar la respectiva consulta al profesor responsable de la asignatura. 3. Es requisito, que el alumno en todos los trabajos prácticos (problemas), monografías, presentaciones, etc. haga uso intensivo de la Tecnología de la Información. (Ofimática para Ingenieros, Internet, Intranet, Red de la EAPIA y Correo Electrónico). V. EVALUACIÓN: El Reglamento vigente de la UAP, exige la asistencia obligatoria a clases y que el profesor pase la lista de asistencia en cada clase que dicta, registrando las inasistencias, en el registro proporcionado por la Universidad. Los alumnos no podrán sobrepasar el 30% de inasistencias justificadas a las horas lectivas teóricas, ni el 20% a las prácticas para tener derecho a evaluación. Dada la naturaleza del curso respecto a que imparte conocimientos pero además es de suma importancia la transmisión directa de la experiencia del profesor y que los alumnos participen activamente en el aula, se reitera que es de vital importancia la asistencia a clases. Debe quedar perfectamente entendido que sólo cuando el alumno asiste a clases, gana el derecho de ser evaluado y que en todo momento estará presente la normatividad expresada en el Reglamento de la UAP. La Modalidad de Evaluación será la siguiente: - Trabajo Académico (TA), El Sistema de Evaluación Permanente de la UAP, contempla las siguientes modalidades de Trabajo Académico: Participación en clase. Prácticas calificadas. Seminarios de discusión. Trabajos de investigación, experimentación u observación. Trabajos de producción. INGENIERÍA AERONÁUTICA: TEORÍA DE CONTROL I Página 4

5 Elaboración de proyectos. Exposiciones. Trabajos de aplicación. Resolución de casos y problemas. - Examen Parcial (EP), que consiste de una evaluación teórico - práctico de conocimiento y donde el alumno dará sus respuestas por escrito. - Examen Final (EF), que consiste en la evaluación teórico - práctico de conocimiento de todo el curso y donde el alumno dará sus respuestas por escrito. La ponderación de notas que el profesor debe mantener es la siguiente: Descripción Ponderación Porcentaje Examen Parcial Peso 3 30% Examen Final Peso 3 30% Trabajo Académico Peso 4 40% - Examen Sustitutorio (ES), que consiste en la evaluación teórico - práctico de conocimiento de todo el curso y donde el alumno dará sus respuestas por escrito. La nota obtenida en el examen Sustitutorio, reemplazará la nota más baja que el alumno haya obtenido en su Primer examen Parcial o en el Examen Final y de proceder el reemplazo, se recalculará la nueva nota final. Las calificaciones de los exámenes se regirán por el sistema vigesimal. Para aprobar una asignatura se requiere calificación mínima de 11,00 puntos. Al establecer el promedio final, el residuo igual o superior a cinco décimas (0,5) como un punto, deberá ser considerado a favor del alumno. VI. PROGRAMACION DE UNIDADES TEMÁTICAS Semana N 1: Introducción a los sistemas de control Generalidades. Introducción. Historia y evolución del Control automático. Definición de sistemas de control, realimentación, etc. La práctica de la ingeniería de control. Ejemplos de sistemas modernos de control. Seguimiento de trayectorias y regulación. Acciones básicas de control. INGENIERÍA AERONÁUTICA: TEORÍA DE CONTROL I Página 5

6 Semana N 2: Sistemas lineales y ecuaciones diferenciales Modelos y representación matemática de sistemas físicos Ecuaciones de sistemas físicos. Ecuaciones diferenciales Ecuaciones diferenciales de los sistemas físicos. Aproximaciones lineales de los sistemas físicos. La función de transferencia de sistemas lineales. Ejercicios con sistemas lineales Semana N 3: La Transformada de Laplace Introducción. La transformada de Laplace. Algunas propiedades de la transformada de Laplace Aplicación de las transformadas de Laplace en la solución de ecuaciones diferenciales con coeficientes constantes. Planos Complejos: Mapas de Polos y Ceros. Álgebra de los diagramas de bloques y funciones de transferencia de sistemas. Modelos de diagrama de bloques. Modelos de grafos de flujo de señal. Gráficos de flujos. Formula de Masón. Ejercicios para reconocer las funciones de transferencia y la transformada de Laplace. Semana N 4: Características y comportamiento de los sistemas realimentados: Sistemas de control de lazo cerrado y de lazo abierto. Sensibilidad de los sistemas de control a las variables de los parámetros. Control de la respuesta transitoria en los sistemas de control por retroalimentación. Perturbaciones en sistemas de control. Error de estado estable. Primera práctica Semana N 5: Especificaciones del funcionamiento en el dominio del tiempo. Respuesta transitoria y permanente. Localización de las raíces en el plano S y respuesta transitoria. Relación entre la ubicación de los polos en el plano S y la INGENIERÍA AERONÁUTICA: TEORÍA DE CONTROL I Página 6

7 respuesta transitoria. El error en el estado estacionario. Semana N 6: El concepto de estabilidad. El criterio de estabilidad de Routh-Hurwitz. Estabilidad relativa de los sistemas de control por realimentación. Determinación de la localización de las raíces en el plano S. Ejercicios. Respuesta a excitaciones típicas (impulso escalón). Sistema de primer y segundo orden. Sistemas de orden superior. Experiencia práctica sobre la respuesta transitoria de un sistema. Semana N 7: Funciones de Transferencia Definición de una función de transferencia. Propiedades de una función de transferencia. Respuesta de tiempo del sistema Respuesta de frecuencia del Sistema Semana N 8: Clasificación de sistemas, constantes de error y sensibilidad Introducción Clasificación de los sistemas según el tipo. Errores debido a las variaciones debido a las variaciones de la señal de entrada, a las perturbaciones y a las variaciones de los parámetros. Coeficientes de error estático. Coeficientes de error dinámico. Semana N 9 Continuación del tema anterior Examen parcial Semana N 10: Método del lugar geométrico de las raíces Introducción. Concepto del lugar geométrico de las raíces. Determinación de la posición de las raíces en el plano S. INGENIERÍA AERONÁUTICA: TEORÍA DE CONTROL I Página 7

8 Semana N 11 Construcción del lugar geométrico de las raíces. Reglas y procedimientos para construcción del lugar de las raíces. Ejemplo del análisis y el diseño de un sistema de control utilizando el método del lugar geométrico de las raíces. Semana N 12 Diseño de parámetros mediante el método del lugar de las raíces. Sensibilidad y lugar geométrico de las raíces. Ejercicios. Respuesta en el tiempo a partir del lugar geométrico de las raíces. Aplicaciones. Segunda práctica. Semana N 13: Métodos de respuesta en frecuencia: ANALISIS DE BODE Introducción Escalas logarítmicas y representaciones de Bode Diagramas de fase y magnitud logarítmica. Ejemplo del trazado del diagrama de Bode. Gráfica de la respuesta de frecuencia. Mediciones de la respuesta de frecuencia. Especificaciones del funcionamiento en el dominio de la frecuencia. Semana N 14 Análisis de BODE La forma de bode y la ganancia de Bode Representaciones de Bode de funciones simples de respuesta de frecuencia. Estabilidad relativa Respuesta de frecuencia de lazo cerrado Semana N 15: Análisis de NYQUIST Introducción. El Teorema de Nyquist. Representación de funciones complejas de una variable compleja La representación de estabilidad de Nyquist. El criterio de estabilidad de Nyquist. INGENIERÍA AERONÁUTICA: TEORÍA DE CONTROL I Página 8

9 Estabilidad relativa de los sistemas de control. Semana N 16: Análisis con la Carta de NICHOLS Análisis con la carta de Nichols Estabilidad relativa La Carta de Nichols. Funciones de respuesta de frecuencia de lazo cerrado Semana N 17 Examen final Semana N 18 Examen Sustitutorio VII. BIBLIOGRAFÍA Además de la bibliografía básica, la complementaria y la electrónica, el alumno tendrá acceso al uso del Internet para ampliar los temas de investigación y consulta que requiera. 1. Bibliografía Básica Katsuhiko OGATA. Ingeniería de Control Moderno, Prentice-Hall Hispanoamericana, Benjamín KUO. Automatic Control System.- (Sistemas Automáticos de Control), Prentice Hall. Richard C. Dorf. Sistemas Modernos de Control Teoría y Práctica, Addison Wesley Iberoamericana, P. H. Lewis y Ch.Yang. Sistemas de Control en Ingeniería, Prentice-Hall, Creus. Instrumentación Industrial, 1era. ed., Ed. McGraw-Hill, México, 1993, 270. Pohr- Orttenburger. Introducción al Control Electrónico 2. Bibliografía Complementaria Katsuhiko Ogata. Designing Linear Control Systems with Matlab. Prentice Hall, Katsuhiko Ogata. "Sistemas de Control en Tiempo Discreto". Prentice Hall. Katsuhiko Ogata, Problemas de Ingeniería de Control Utilizando Matlab - Un Enfoque Práctico, Prentice Hall, T. Kailath, Linear Systems, Prentice-Hall, INGENIERÍA AERONÁUTICA: TEORÍA DE CONTROL I Página 9

10 G. Frenklin, J. Powell and A. Emami-Naeini. Control de sistemas dinámicos con realimentación, Addison-Wesley Iberoamericana, J. D azzo y C. Houpis. Análise e Projeto de Sistemas de Controle Lineares, Guanabara Dois S.A., Antonio Creus. Simulación y Control de Proceso por Ordenador, Marcombo. Antonio Creus, Instrumentación Industrial. 1era. ed., Ed. McGraw-Hill, México, 1993, 270 SHAHIAN B; HASSUL M. "Control System Design Using Matlab". Prentice- Hall. ASTROM K; WITTENMARK B. "Computer Controlled Systems, Theory and Design". Prentice Hall, SMITH C; CORRIPIO A. "Control Automático de Procesos". Limusa BROGAN, W.L. "Modern control theory". Prentice Hall, CHEN, C.T. "Control system design". Pod Wood Press, DISTEFANO III J.J y otros, "Realimentación y sistemas de control". Mc Graw Hill (serie Schaum) FRANKLIN, G.F. Y J.D. POWELL. "Digital control of dinamic systems". Addison-Wesley, FRANKLIN, G.F Y J.D. POWELLY A. EMANI-NAENI. "Control de sistemas dinámicos con realimentación". Addison-Wesley Iberoamericana GOPAL, M. "Modern control system theory". Wiley Eastern Limited., OLLERO, A. "Control por computador. Descripción interna y diseño óptimo"; Marcombo Boixerau Editores., Pueblo Libre, Marzo del 2014 INGENIERÍA AERONÁUTICA: TEORÍA DE CONTROL I Página 10