Asignatura MODALIDAD ACADÉMICA TEORIA DE CONTROL Carrera INGENIERÍA EN SISTEMAS DE INFORMACIÓN Ciclo Lectivo 2016 Vigencia del Desde el ciclo lectivo 2015 programa Plan 2008 Nivel 1er. Nivel 2do. Nivel 3er. Nivel 4to. Nivel 5to. Nivel Coordinador/Director Mgter. Ing. José Luis Galoppo de la Cátedra Área de Programación Conocimiento Computación Sistemas de Información Gestión Ingenieril Modelos Complementaria Carga horaria 6 hs semanal Anual/ cuatrimestral Contenidos Mínimos, según Diseño Curricular- Ordenanza 1150, sólo para asignaturas curriculares Correlativas para cursarla Cuatrimestral - Modelado de sistemas de control. - Análisis de la respuesta de los sistemas de control. - Función de transferencia. - Respuesta temporal y su relación con el diagrama cero polar. - Diagramas en bloque. - Error en régimen permanente, tipos de sistemas. - Régimen transitorio, estabilidad absoluta y relativa. - Modelado en variable de estado. - Controlabilidad y observabilidad. - Sistemas de control discretos. - Estabilidad de sistemas muestreados. - Sistemas de control industrial basados en computadoras. Regulares Química Matemática Superior Aprobadas Análisis Matemático II Física II Correlativas para rendirla Regulares Química Matemática Superior Aprobadas Química Matemática Superior Objetivos de la Asignatura Comprender el lenguaje, formalismo, principios y métodos de la teoría del control automático. Conocer y utilizar los métodos de análisis de respuesta transitoria y de régimen permanente. Mediante análisis determinar la función de transferencia de procesos automáticos. 1
Obtener modelos matemáticos de sistemas y componentes (instrumentos, actuadores y sensores) y de sistemas dinámicos continuos lineales o linealizados. Modelizar con el suficiente grado de detalle como para poner de manifiesto las características dinámicas dominantes. Realizar el diseño de compensadores (controladores) tanto por métodos convencionales como mediante técnicas de variables de estado. Aplicar criterios de optimización Simular mediante Matlab (Simulink) procesos de control. Programa Analítico Unidad Nro. 1: INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL Entender el principio del control sobre sistemas Caracterizar distintos sistemas controlados en función de su comportamiento Entender la necesidad de realimentar y efectos de la realimentación. Analizar los sistemas factibles de estudiar en forma lineal Concepto de sistemas de control. Componentes básicos. Tipos de sistemas Sistemas de control de lazo abierto y de lazo cerrado. Ejemplos mecánicos, eléctricos, térmicos. Efectos de la realimentación. Concepto de estabilidad Sistemas de control lineal y no lineal. Linealización. 1) Sauchelli, V.H.: Introducción a los sistemas de control Ed. Universitas. Córdoba. 2001 2) Ogata, Katsuhiko: Ingeniería de control moderna. 4ª edición en español. Editorial Prentice Hall. Méjico. Año 2008 Unidad Nro. 2: MATEMATICA APLICADA A LOS SISTEMAS DE CONTROL Ser capaz de utilizar una EDO para caracterizar el comportamiento de un sistema Operar con la Transformada de Laplace, aplicada a los sistemas. Resolver casos y ejemplos de sistemas mediante transformaciones operacionales. Elaborar modelos mediante la función de transferencia. Comprender los componentes de respuesta más comúnmente utilizados. 2
Caracterización de sistemas mediante EDO Conceptos sobre Variable Compleja Transformada de Laplace: definición, propiedades. Transformada inversa Solución de las EDO por medio de la transformada de Laplace. Ejercicios 1) SAUCHELLI, V.H.: Teoría de Señales y Sistemas Lineales. Ed. Universitas. Córdoba 2004. 2) Ogata, Katsuhiko: Ingeniería de control moderna. 4ª edición en español. Editorial Prentice Hall. Méjico. Año 2008 Unidad Nro. 3: MODELO MATEMÁTICO DE SISTEMAS Comprender el efecto de las transformas en los SLIT. Comprender el alcance de la modelización. Realizar modelo matemático de sistemas en tiempo continuo Comprender el diagrama de flujo y su relación con la función de transferencia. Obtener la función de transferencia de sistemas complejos. Utilizar el software en el cálculo de transformadas y modelos. Sistemas Lineales Invariantes en el Tiempo (SLIT), respuesta al impulso en tiempo continuo. Integral de convolución en tiempo continuo, suma de convolución. Las transformadas de Laplace como generalización de autovalor de un SLIT. Función de transferencia en s. Modelo y simulación de sistemas eléctricos, mecánicos, hidráulicos, térmicos, administrativos, contables. Diagramas de bloques. Gráficos de flujo de señal. Fórmula de Mason para el cálculo de ganancia. Ogata, Katsuhiko: Ingeniería de control moderna. 4ª edición en español. Editorial Prentice Hall. Méjico. Año 2008 3
Unidad Nro. 4: ESTABILIDAD DE LOS SISTEMAS DE CONTROL LINEALES Comprender los aspectos de la estabilidad al momento de analizar y diseñar sistemas de control. Determinar la estabilidad con el criterio de Routh-Hurwitz. Estabilidad relativa y estabilidad absoluta. Efectos de la realimentación ante la variación de los parámetros y ante entradas perturbadoras Error en estado estacionario. Análisis de error en régimen permanente, constantes de error. Criterio de Routh-Hurwitz. Ogata, Katsuhiko: Ingeniería de control moderna. 4ª edición en español. Editorial Prentice Hall. Méjico. Año 2008 En esta etapa se planea tomar las primeras evaluaciones, tanto teórica como práctica correspondientes a los temas de las 4 primeras unidades, integrando los conocimientos Unidad Nro. 5: ANÁLISIS DE SISTEMAS DE CONTROL EN EL DOMINIO DEL TIEMPO Definir en los sistemas las constantes de error y el error. Comprender la acciones Proporcionales (P) Integrales (I) y Derivativas (D). Especificaciones en el dominio del tiempo. Análisis transitorio de sistemas de primer y segundo orden. Parámetros de normalización. Frecuencia natural no amortiguada y relación de amortiguamiento. Controladores, acciones PID. Parámetros de ajuste de los controladores Ogata, Katsuhiko: Ingeniería de control moderna. 4ª edición en español. Editorial Prentice Hall. Méjico. Año 2008 4
Unidad Nro. 6: ANÁLISIS Y DISEÑO MEDIANTE EL LUGAR GEOMÉTRICO DE LAS RAÍCES Adquirir completa comprensión de los métodos del lugar geométrico de las raíces, incluyendo la extensión a sistemas discretos. Utilizar el software de cálculo para el trazado del lugar. Realizar la interpretación del lugar Realizar ajustes y propuestas de diseño con el lugar de las raíces Consideraciones sobre el trazado del lugar: Polos de lazo cerrado a partir de polos de lazo abierto. Reglas para la construcción del lugar de raíces, para K positivo. Consideraciones para el análisis de sistemas de control. Consideraciones de diseño. Técnicas de cancelación de polos dominantes. Compensación en adelanto, vinculación con PID. Compensación en atraso, vinculación con PID. Bibliografía: Ogata, Katsuhiko: Ingeniería de control moderna. 4ª edición en español. Editorial Prentice Hall. Méjico. Año 2008 Unidad Nro. 7: ANÁLISIS Y DISEÑO EN EL ESPACIO DE ESTADOS Familiarizarse con los conceptos básicos de variables de estado. Realizar las simulaciones mediante diagramas de flujo. Aplicar conceptos de variables de estado a ejemplos de sistemas mecánicos, eléctricos, etc. Comprender en forma de variables de estado la estabilidad, observabilidad, controlabilidad. Estado y variables de estado. Representación matricial. Diagrama de estados. Formas canónicas de las ecuaciones de estado. 5
Soluciones de las ecuaciones de estado. Matriz de transición de estado. Ejemplo de modelado de sistemas mecánicos, eléctricos y de fluidos Ogata, Katsuhiko: Ingeniería de control moderna. 4ª edición en español. Editorial Prentice Hall. Méjico. Año 2008 Unidad Nro. 8: SISTEMAS DE CONTROL DIGITALES Conocer los conceptos de control digital, muestreo. Modelar sistemas de tiempo discreto. Simular sistemas controlados por computadoras. Comprender controladores lógicos programables (PLC). Diseñar compensaciones basadas en tiempo continuo. Estudiar y evaluar los comportamientos de sistemas digitales y su estabilidad. Señales y procesos en tiempo discreto Muestreo, cuantificación y codificación. Computadoras en control digital directo (CDD). Los PLC como ejemplos de dispositivos aplicados a los sistemas de control discretos. La transformada z Estabilidad en funciones modeladas con transformada z. La ROC. Conversión de s a z. Las variables de estado en tiempo discreto, conversión del tiempo continuo. Sistemas de control industriales controlados por computadoras. 1) SAUCHELLI, V.H.: Sistemas de control digital. Ed. Universitas. Córdoba. 2004 2) Ogata, Katsuhiko: Ingeniería de control moderna. 4ª edición en español. Editorial Prentice Hall. Méjico. Año 2008 6
En esta etapa se planea tomar las segundas evaluaciones, tanto teórica como práctica correspondientes a los temas de estas unidades, integrando los conocimientos Metodología de enseñanza y aprendizaje Sistema de evaluación Clases Teóricas: Se desarrollan contenidos de la asignatura en clases con orientación teórica y dirigidas por el Profesor a cargo del curso. Las clases teóricas se desarrollan según la técnica de exposición, utilizando la expresión oral y escrita de temas estructurados, con demostraciones matemáticas, ejercicios resueltos y ejemplos de aplicación, apelando a la intuición, criterios, sentido común y razonamiento lógico, intercalando diálogos a través de interrogación como elemento de comunicación, de manera de incentivar la participación del alumno y estimular su capacidad reflexiva. Se emplean algunas herramientas audiovisuales e informáticas de manera de mantener el interés y participación del alumno en clase, así como lectura y comprensión de textos realizadas en grupos. Adicionalmente se suministra a los estudiantes material bibliográfico de consulta y revistas científicas. Se pretende con estas acciones que las clases teóricas sean participativas, fomentando el debate y la discusión de los temas tratados. Las actividades son evaluadas mediante pruebas parciales teóricas en forma escrita. Clases Prácticas: Orientadas a la formación práctica del alumno, son impartidas a través de clases de resolución de problemas. Se realizan ejercicios prácticos donde el estudiante relaciona conceptos teóricos para aplicarlos a la resolución de problemas concretos, identificando el grado de cumplimiento de las hipótesis asumidas en deducciones teóricas y observando las restricciones del campo de validez del problema específico en cuestión. Las actividades son desarrolladas a cargo de los profesores auxiliares y evaluadas mediante pruebas parciales escritas. Clases de Laboratorio: El trabajo de laboratorio parte de un principio de que el razonamiento científico es un medio para aumentar la capacidad de reflexión, argumentación y juicio de los estudiantes. Estas son actividades que utilizan un software (Matlab, o Scilab u Octave) para la resolución de ecuaciones diferenciales, Transformadas de Laplace, resolución de ecuaciones de estado y montaje y realización de experimentos en situaciones controladas, procesos y simulaciones de sistemas y procesos utilizando Simulink. La presentación para su evaluación es mediante informes obligatorios evaluados con similar criterio que las pruebas prácticas y teóricas. Estos Laboratorios están a cargo de los profesores auxiliares. De las pruebas parciales: Las pruebas que se toman durante el curso poseen dos instancias: el denominado examen práctico que consisten en ejercicios de aplicación de temas y examen teórico que trata de demostraciones y análisis de temas y ejemplos; se prevé para el 2016 recibir dos exámenes prácticos y dos exámenes teóricos. Las recuperaciones pueden ser de la instancia práctica y la instancia teórica pudiendo recuperar sólo una instancia práctica y una instancia teórica, no 7
Condiciones de regularidad Condiciones, duración y características de la promoción (si corresponde) Modalidad de examen final necesariamente de la misma prueba. De los trabajos prácticos de laboratorio: Un informe final de los trabajos realizados en el laboratorio con resolución de ejercicios propuestos por los profesores auxiliares De la nota: La nota final es asentada en la libreta como y Parcial Teórico Nº 1. Parcial Práctico Nº1, Parcial Teórico Nº 2. Parcial Práctico Nº2 Trabajo Práctico de Laboratorio Para conservar la condición de alumnos regular: a) Asistir al mínimo de clases exigidas por la Facultad a través de Bedelía. b) Aprobar con cuatro (4) o más puntos los exámenes que se tomen durante el curso, pudiendo recuperar un examen parcial cuyas notas reemplazan al parcial recuperado. c) Aprobar el trabajo de MATLAB, que forma parte de los prácticos de Laboratorio Promoción práctica: Para ser alumno regular con la instancia práctica promocionada: a) Asistir al mínimo de clases exigidas por la Facultad a través de Bedelía. b) Aprobar con siete (7) o más puntos los exámenes prácticos que se tomen durante el curso, pudiendo recuperar un examen práctico parcial cuyas notas reemplazan al parcial recuperado Promoción total: Para ser alumno regular con la asignatura promocionada: a) Asistir al mínimo de clases exigidas por la Facultad a través de Bedelía. b) Aprobar con siete (7) o más puntos los exámenes prácticos que se tomen durante el curso, pudiendo recuperar un examen práctico parcial cuya nota reemplaza al parcial recuperado. c) Aprobar con siete (7) o más puntos los exámenes teóricos que se tomen durante el curso, pudiendo recuperar un examen teórico parcial cuya nota reemplaza al parcial recuperado. La nota final en el caso promocionar la asignatura o promocionar los prácticos de la asignatura es un promedio de las pruebas teóricas-prácticas. En todos los casos debe constar en la hoja de la libreta de Trabajos Prácticos, en el renglón Observaciones, la leyenda: Promoción (indicando práctica o total), año y nota final, con la firma del docente a cargo. La promoción dura un año académico La modalidad del examen final es escrita. Posee instancia de práctica de ejercitación y teórica. Actividades en laboratorio Horas/año totales de la asignatura (hs. cátedra) Cantidad de horas prácticas totales (hs. cátedra) Cantidad de horas Actividades en laboratorio de Matlab, aplicado a resolución de problemas, análisis de respuesta de sistemas, diseño de compensadores. Análisis de aplicaciones con la computadora aplicado al control. Sobre el desarrollo normal de 16 semanas de clase en aulas con 6 hs. por semana la, duración total es de 96 hs. Se estima en trabajos de ejercitación unas 36 hs. en total. En trabajos de simulación y laboratorio de PCs aplicadas al control otras 30 hs. Esto responde a un total de 66 hs. prácticas Los cursos teóricos poseen una duración de 30 horas en total. 8
teóricas totales (hs. cátedra) Tipo de formación práctica (sólo si es asignatura curricular - no electiva-) Cantidad de horas afectadas a la formación práctica indicada en el punto anterior (hs. cátedra) Descripción de los prácticos Criterios de evaluación (incluir escala de notas) Descripción de la presentación de los prácticos (aspectos formales) Formación experimental Resolución de problemas de ingeniería Actividades de proyecto y diseño Prácticas supervisadas en los sectores productivos y /o de servicios Corresponden a 66 hs. a lo largo del curso Ejercitación: resolución de problemas y casos planteados en el aula y resueltos en conjunto o individual por los estudiantes. Trabajos realizados en máquina PCs del Laboratorio de Computación, excepcionalmente dos estudiantes por máquina, normal un estudiante por máquina, donde se realizan el análisis, diseño de compensadores de control y simulaciones con evaluaciones de comportamientos. Criterios de evaluación: Correcta aplicación de los distintos modelos a las situaciones planteadas en cada uno de los problemas a resolver. Enunciación de las respuestas de manera completa, coherente y organizada. Pertinencia en la selección de los conceptos teóricos para fundamentar sus respuestas. Material de uso permitido: - Tabla de transformadas. - Tabla de derivadas e integrales. Duración del Examen: 2 Hs. Criterios de aprobación: * Demostrar conocimiento sobre todos los temas evaluados. * Alcanzar como mínimo 60% de cada ítem solicitado. Evaluación de trabajos: Mediante la presentación de una carpeta conteniendo los programas y resultados de lo realizado en Laboratorio de Computación. Escala de notas: Desde Hasta NOTA 0 59 2 60 65 4 66 71 5 72 77 6 78 83 7 84 89 8 90 95 9 96 100 10 Mediante evaluación escrita, tomando dos evaluaciones a lo largo del curso y evaluando en escala del 0-10, estas consisten en ejercicios similares a los trabajados durante el curso, resueltos en forma individual y de preguntas 9
Cronograma de actividades de la asignatura, contemplando las fechas del calendario 2015 y para cada unidad. conceptuales tratadas durante las clases. El formato es sobre hoja común de tamaño variable (A4, o de cuaderno) suministrada por el estudiante con indicación clara del apellido, nombre, año, fecha, número y tipo de parcial con numeración de cada hoja presentada indicando el total (por ejemplo: 1/3, 2/3, 3/3). Los temas son entregados en cuestionario (teórico o ejercicios prácticos) por el docente en hoja impresa Cursos cuatrimestrales, (tres meses y medio) son 16 semanas. Asignatura de 6 horas semanales. T= Teórico. Duración 2 horas P= Práctico de ejercitación. Duración 2 hs. Lab= Práctico de Laboratorio de Computación. Duración 2 hs. Semana 1 T. Presentación de los sistemas de control. Realimentación P. Resolución de EDOs Aplicaciones de la Transformada de Laplace. Lab. Trabajos en Matlab: representación de variables complejas Semana 2 T. Transformada de Laplace (repasos y aplicaciones). Propiedades P. Resolución de transformada (e inversas) Lab. Trabajos en Matlab de cálculo matricial y diferencial, Semana 3 T. La transformada de Laplace de un SLIT P. Ejercicios de determinación de la función de transferencia Lab. Trabajos en Matlab de resolver transformada de Laplace. Semana 4 T. Gráficos de flujo de señal. Fórmula de Mason P. Determinación de la función de transferencia por Mason Lab. Trabajos en Matlab para determinar la función de transferencia Semana 5 T. Estabilidad relativa y estabilidad absoluta. Efectos de la realimentación ante la variación de los parámetros y ante entradas perturbadoras P. Ejercicios de Mason Lab. Trabajos en Matlab Semana 6 T. Error en estado estacionario. Análisis de error en régimen permanente, constantes de error. Criterio de Routh-Hurwitz P. Ejercicios de aplicación del criterio de Routh Lab. Trabajos en Matlab para determinar la estabilidad de un sistema Semana 7 Parcial 1 (semana para el teórico y el práctico) Lab: Presentación de los enunciados de los ejercicios. Explicación de la modalidad en que se deben resolver y presentar Semana 8 T. Especificaciones en el dominio del tiempo. Análisis transitorio de sistemas de primer y segundo orden. P. Cálculo de los valores de sistemas de primer y segundo órden 10
Propuesta para la atención de consultas y mail de contacto. Plan de integración con otras asignaturas Bibliografía Obligatoria Lab. Representación gráfica de funciones en Matlab Semana 9 T. Parámetros de normalización. Frecuencia natural no amortiguada y relación de amortiguamiento. Controladores, acciones PID. Parámetros de ajuste de los controladores P. Diseño de controladores Lab. Uso de Simulink Semana 10 T. Técnica del lugar de raíces: Polos de lazo cerrado a partir de polos de lazo abierto. Consideraciones para el análisis de sistemas de control. P. Reglas para la construcción del lugar de raíces, para K positivo Lab. Trabajos en Matlab para graficar el lugar de raíces Semana 11 T. Consideraciones de diseño. Técnicas de cancelación de polos dominantes. P. Compensación en adelanto, vinculación con PID. Compensación en atraso, vinculación con PID. Lab. Trabajos en Matlab para diseño PID Semana 12 T. Variables de estado de un sistema de control P. Ejemplos de sistemas mecánicos y eléctricos Lab. Trabajos en Matlab para calcular la matriz de transición de estado Semana 13 T. Sistemas digitales de control. Transformada Z P. Ejercicios de cálculo de transformada Z Lab. Trabajos en Matlab para calcular la transformada Z Semana 14 T. Digitalización de sistemas analógicos para transformarlos en digitales P. Ejercicios de cálculo de transformada Z Lab. Trabajos en Matlab para calcular la transformada Z Semana 15 Parcial 2 (semana para el teórico y el práctico) Semana 16 Parcial de Recuperación (semana para el teórico y el práctico) Presentación del Trabajo Final de la asignatura: Trabajo sobre ejercicios y problemas a entregar. (sin nota figura aprobado o no aprobado) La materia dispone de una aula virtual: http://uv.frc.utn.edu.ar/course/view.php?id=1430 Se propone la interacción permanente entre los alumnos y los docentes través de los canales de comunicación que se disponen en ella (foros de preguntas y respuestas, envío de archivos, consultas a través de mensajes de correo electrónico, canales de chat, etc) Los e-mail de todos los docentes de la cátedra están disponibles en dicha aula virtual. Además proporcionamos la dirección de correo electrónico del encargado de cátedra: jgaloppo@hotmail.com Las reuniones son realizadas al menos dos veces por cuatrimestre, con las asignaturas del área, tanto las antecedentes (Matemática Superior, Investigación Operativa y Simulación) como las consecuentes (Inteligencia Artificial) Ogata, Katsuhiko: Ingeniería de control moderna. 4ª edición en 11
Bibliografía Complementaria español. Editorial Prentice Hall. Méjico. Año 2008 Kuo, Benjamín: Sistemas de control automático. 7º edición en español. Editorial Pearson Educación. Año Sauchelli, Victor: Introducción a los sistemas de control Ed. Universitas 2001. BOLTON, W Ingeniería de Control 2da Edición Ed. Alfaomega. 2001. ÄSTROM K, BJÖRN W.: Sistemas Controlados por Computador. Ed. Paraninfo 1988. SAUCHELLI V.H.: Sistemas de control digital. Ed. Universitas 2004 SAUCHELLI V.H: Teoría de Señales y Sistemas Lineales Ed.Universitas 2004. Distribución de docentes por curso Curso Turno Día y Horas Profesor JefeTrab.Práct. Ayudante 4K1 Mañana Jueves 12,05-14 Mgter. Ing. Ing. Hugo Ing. Viernes de 8 a José Luis Pailos 11,20 Galoppo Marcelo 4K2 Tarde Miércoles 15 18,00 Viernes 15-16,30 4K3 Noche Martes 19,50 23,05 Viernes 19,50-4k4 Noche Contracuatrimestre 21,35 Jueves 1950 23,05 Vienes 19,50-21,35 Ing. Juan Pedroni Mgter.Ing. José Luis Galoppo Ing. Juan Pedroni Ing. Daniel Sanchez Ing. Sergio Laboret Ing. Daniel Sanchez Arcidiácono Inga. Sandra Olariaga Inga. Sandra Olariaga Firma: Aclaración: JOSE LUIS GALOPPO 12