UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN FACULTAD DE … · Identificar las ventajas y desventajas de los sistemas de control automático y las diversas estrategias de control y su ámbito

UANL - FIME Ingeniería de Control

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IT-7-ACM-04-R03

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VIGENTE A PARTIR DEL: 8 de Agosto del 2011

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

PROGRAMA ANALÍTICO FIME

Nombre de la unidad de aprendizaje: Ingeniería de Control Frecuencia semanal: 3 hrs. Horas presenciales: 42 hrs. Horas de trabajo extra-aula: 28 hrs. Modalidad: Presencial Período académico: Semestral Unidad de aprendizaje: ( X ) obligatoria ( ) optativa Área curricular, según el nivel educativo: Licenciatura ( ) Formación básica profesional ( ) Formación profesional ( ) Formación general Universitaria ( ) Libre elección Créditos UANL: 3 incluyendo laboratorio Fecha de elaboración: 20 de Junio del 2011 Fecha de la última actualización: 28 de Junio del 2011 Responsables del diseño: Dr. David Alejandro Díaz Romero Dr. Cornelio Posadas Castillo

M.C. Alejandro Eutimio Loya Cabrera

Presentación:

La unidad de aprendizaje de ingeniería de control está diseñado para proporcionar al estudiante las herramientas que le lleven a conocer y comprender la temática relativa a los sistemas de control y los criterios de estabilidad. En primera instancia el estudiante conocerá el concepto de sistema de control automático, conocerá y comprenderá la importancia del modelado de sistemas para la simulación del posible comportamiento del sistema y, además, estudiará las características y aplicaciones, tanto de los modos como de las estrategias de control. Posteriormente, el estudiante conocerá las características transitorias de los sistemas de control de orden 1 y orden 2, además ha de


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comprender la importancia de las características de velocidad y exactitud de la variable controlada del sistema de control bajo estudio con el fin de prepararlo para que le sea posible analizar la estabilidad de los sistemas de control mediante el uso de la técnica del lugar de las raíces, lo cual implica determinar las características transitorias a ganancia variable, para conocer los límites de la estabilidad del sistema bajo estudio; por último el estudiante comprenderá que la dinámica de la variable de proceso es clave para graficar tanto fase como en ganancia los márgenes de estabilidad, además desarrollará la capacidad de identificar los márgenes de ganancia como de atraso permitidos.

Propósito:

Esta unidad de aprendizaje tiene como finalidad que el estudiante adquiera los conocimientos y habilidades básicas que le permitan

desarrollar las competencias para analizar y evaluar lazos de control retroalimentados de sistemas lineales continuos, utilizando herramientas clásicas de análisis como respuesta en el tiempo, respuesta a la frecuencia y estabilidad.

Esta unidad de aprendizaje permite sentar las bases necesarias para que el estudiante desarrolle las capacidades necesarias para aprendizajes posteriores tales como las técnicas de compensación en atraso y/o adelanto tanto por el método del lugar de las raíces como por respuesta a la frecuencia, de igual forma, las competencias adquiridas en esta unidad de aprendizaje han de ser útiles para que el estudiante analice por variables de estado conceptos como controlabilidad, estabilidad y obserbabilidad, además de poder adentrase en el estudio de la estabilidad de sistemas de control que posean señales de datos discretos y digitales, esta unidad de aprendizaje, contiene los elementos suficientes y necesarios para iniciar el estudio de los modelos matemáticos para simular los algoritmos aplicados al control de robots de cualesquiera grados de libertad.

Competencias del perfil de egreso: a. Competencias de la Formación General Universitaria a las que contribuye esta unidad de aprendizaje:

Esta unidad de aprendizaje contribuye al desarrollo de las siguientes competencias generales: Competencias instrumentales:

• Utiliza los lenguajes lógico, formal, matemático, icónico, verbal y no verbal de acuerdo a su etapa de vida, para comprender, interpretar y expresar ideas, sentimientos, teorías y corrientes de pensamiento con un enfoque ecuménico.


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• Maneja las tecnologías de la información y la comunicación como herramienta para el acceso a la información y su transformación en conocimiento, así como para el aprendizaje y trabajo colaborativo con técnicas de vanguardia que le permitan su participación constructiva en la sociedad.

Competencias personales y de interacción social

• Interviene frente a los retos de la sociedad contemporánea en lo local y global con actitud crítica y compromiso humano, académico y profesional para contribuir a consolidar el bienestar general y el desarrollo sustentable.

Competencias integradoras

• Resuelve conflictos personales y sociales conforme a técnicas específicas en el ámbito académico y de su profesión para la adecuada toma de decisiones.

b. Competencias específicas del perfil de egreso a las que contribuye la unidad de aprendizaje: Analizar las partes de un dispositivo, equipo, sistema o proceso, estableciendo las relaciones que guardan entre sí, que le permita documentar la información obtenida en forma estructurada, ordenada y coherente, incluyendo conclusiones propias. Diseñar modelos en lenguaje matemático que describan el comportamiento de un sistema, fenómeno o proceso, mediante el planteamiento de hipótesis, que le permita validarlos por métodos analíticos o herramientas computacionales. Diseñar procedimientos que resuelvan problemas de ingeniería seleccionando la metodología apropiada, aplicando modelos establecidos, basados en las ciencias básicas, verificando los resultados obtenidos con un método analítico o con el apoyo de una herramienta tecnológica, de forma que la solución sea pertinente y viable, cumpliendo con estándares de calidad y políticas de seguridad.


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Representación gráfica

Competencias de la Unidad de

Aprendizaje

Instrumentales

Utiliza los lenguajes lógico, formal, matemático, icónico, verbal y no verbal

de acuerdo a su etapa de vida, para comprender, interpretar y expresar

ideas, sentimientos, teorías y corrientes de pensamiento con un enfoque

ecuménico

Analizar las partes de un dispositivo, equipo,

sistema o proceso, estableciendo las

relaciones que guardan entre sí

Identificar las ventajas y desventajas de los sistemas de control automático y las diversas

estrategias de control y su ámbito de aplicación, con base en la complejidad del sistema, con el

fin de estandarizar la producción y salvaguardar, en caso de ser necesario la integridad física del

personal

Diseñar modelos en lenguaje matemático que describan las dinámicas de un sistema físico

utilizando un enfoque de función de transferencia para establecer la función de transferencia del

sistema de control

Maneja las tecnologías de la información y la comunicación como herramienta para el acceso a la información y su

transformación en conocimiento, así como para el aprendizaje y trabajo

colaborativo con técnicas de vanguardia que le permitan su participación

constructiva en la sociedad

Documentar la información obtenida en forma

estructurada, ordenada y coherente, incluyendo conclusiones propias

Identificar la estrategia de control más idónea mediante la capacitancia del sistema y de acuerdo con el tipo de error de la entrada y la salida para mantener el sistema trabajando establemente

Analizar sistemas de control mediante el uso de la técnica del lugar de las raíces, con el fin de comprender el impacto

de la ganancia en la respuesta transitoria, usando hojas milimétricas y Matlab

Personales y de

Interacción

Social

Interviene frente a los retos de la sociedad contemporánea en lo local y global con actitud

crítica y compromiso humano, académico y profesional para contribuir a consolidar el

bienestar general y el desarrollo sustentable

Diseñar modelos en lenguaje matemático que describan el comportamiento de un sistema,

fenómeno o proceso, mediante el planteamiento de hipótesis, que le permita

validarlos por métodos analíticos o herramientas computacionales

Analizar un sistema dinámico en el dominio de la frecuencia, a partir de una función de

transferencia propuesta, con el fin de definir los márgenes de fase y ganancia

Integradoras

Resuelve conflictos personales y sociales conforme a técnicas

específicas en el ámbito académico y de su profesión para la adecuada toma

de decisiones

Diseñar procedimientos que resuelvan problemas de ingeniería seleccionando la

metodología apropiada, aplicando modelos establecidos, basados en las

ciencias básicas, verificando los resultados obtenidos con un método analítico o con el apoyo de una herramienta tecnológica, de forma que la solución sea pertinente y

viable, cumpliendo con estándares de calidad y políticas de seguridad

Analizar la respuesta transitoria de sistemas de primero y segundo orden a partir de su función de

transferencia, con el fin de estudiar las características transitorias de la respuesta y a su vez

fincar la analogía con sistemas e orden superior


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Unidad temática 1: Introducción a los sistemas de control, modelos de sistemas dinámicos, acciones básicas de control, otras estrategias de control automático. Competencias particulares:

� Identificar las ventajas y desventajas de los sistemas de control automático y las diversas estrategias de control y su ámbito de aplicación, con base en

la complejidad del sistema, con el fin de estandarizar la producción y salvaguardar, en caso de ser necesario la integridad física del personal.

� Identificar la estrategia de control más idónea mediante la capacitancia del sistema y de acuerdo con el tipo de error de la entrada y la salida para mantener el sistema trabajando establemente.

� Diseñar modelos en lenguaje matemático que describan las dinámicas de un sistema físico utilizando un enfoque de función de transferencia para establecer la función de transferencia del sistema de control.

Elementos de Competencia

Evidencias de aprendizaje

Criterios de desempeño Actividades de aprendizaje Contenidos Recursos

Identificar las ventajas y desventajas de los sistemas de control automático y las diversas estrategias de control y su ámbito de aplicación, con base en la complejidad del sistema, con el fin de estandarizar la producción y salvaguardar, en caso de ser necesario la integridad física del personal.

Hoja de definiciones 1

Hoja de definiciones 1 � No. De definiciones

contestadas

� Criterios de las

definiciones.

Establecer la definición de los elementos básicos de los sistemas de control.

Conceptos: � Elementos de un

Sistema de Control.

� Sistemas de

Control de Lazo

Abierto y Lazo

Cerrado.

� Modelo

matemático.

� Función de

Transferencia (F.T.).

� Diagramas de

Bloques.

� Álgebra de

Bloques.

Pantalla Computadora Lecturas Videos


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Criterios de desempeño

Actividades de aprendizaje Contenidos Recursos

Identificar la estrategia de control más idónea mediante la capacitancia del sistema y de acuerdo con el tipo de error de la entrada y la salida para mantener el sistema trabajando establemente. Diseñar modelos en lenguaje matemático que describan las dinámicas de un sistema físico utilizando un enfoque de función de transferencia para establecer la función de transferencia del sistema de control.

Ensayo sobre el debate 1 Problemas resueltos 1

Ensayo sobre el debate 1 Debe contener: � Introducción � Desarrollo � Conclusiones � Bibliografía. � Originalidad � Profundidad � Claridad en redacción � Capacidad de síntesis Problemas resueltos 1 � Utiliza las leyes del

álgebra de bloques eficientemente.

� Obtiene el resultado en la forma más simplificada posible.

� Representa la función de transferencia en forma canónica.

Debatir en grupo acerca de estos conceptos y de la importancia de reconocer las características de los diferentes tipos de sistemas de control y como se representan o se modelan éstos sistemas mediante ecuaciones diferenciales. Calcular la función de transferencia (F.T.) de sistemas de control físicos representados por diagramas de bloques, aplicando el método del álgebra de bloques de lo cual se realizará un Reporte de las diferencias de los distintos tipos de sistemas de control y la obtención de sus modelos matemáticos.

Conceptos: � Elementos de un

Sistema de Control.

� Sistemas de

Control de Lazo

Abierto y Lazo

Cerrado.

� Modelo

matemático.

� Función de

Transferencia (F.T.).

� Diagramas de

Bloques.

� Álgebra de

Bloques.

Pantalla Computadora Lecturas Videos


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Unidad temática 2: Respuesta transitoria de sistemas de control. Error en estado permanente. Competencias particulares: Analizar la respuesta transitoria de sistemas de primero y segundo orden a partir de su función de transferencia, con el fin de estudiar las características transitorias de la respuesta y a su vez fincar la analogía con sistemas e orden superior.




Analizar la

respuesta

transitoria de

sistemas de

primero y

segundo orden a

partir de su

función de

transferencia, con

el fin de estudiar

las características

transitorias de la

respuesta y a su

vez fincar la

analogía con

sistemas e orden

superior.

Hoja de

definiciones 2

Ensayo sobre el debate 2

Hoja de respuestas 1

Hoja de definiciones 2

� No. De definiciones

contestadas

� Criterios de las

definiciones.

Ensayo sobre el debate 2 � Introducción � Desarrollo � Conclusiones � Bibliografía. � Originalidad � Profundidad � Claridad en redacción � Capacidad de síntesis Hoja de respuestas 1 � Formato contestado

claramente � Datos del estudiante que

incluya al menos nombre y grupo

Establecer la definición de algunos

conceptos básicos de la respuesta

transitoria.

Debatir en grupo acerca de estos

conceptos y de la importancia de

reconocer las características de los

diferentes tipos de respuesta

transitoria aplicada a procesos

reales.

Reportar de las diferencias entre los distintos tipos de respuesta transitoria.

Conceptos: � Señales de

excitación.

� Respuesta

del sistema a

la excitación.

� Característic

as de la

respuesta

del sistema.

� Identificació

n de los tipos

de sistemas.

� Conceptos

de error en

estado

estacionario.

Pantalla

Computadora

Lecturas

Videos


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Problemas resueltos 2

Problemas resueltos 2 � Utiliza las fórmulas

matemáticas para los sistemas de orden 1 y 2 eficientemente .

� Obtiene el resultado en la forma más simplificada posible.

� Muestra claramente los valores importantes de tiempos y magnitudes de la señal de salida.

� Representa claramente la gráfica de la respuesta transitoria.

Calcular las características de respuesta en el tiempo de un sistema de control propuesto.

Conceptos: � Señales de

excitación.

� Respuesta

del sistema a

la excitación.

� Característic

as de la

respuesta

del sistema.

� Identificació

n de los tipos

de sistemas.

� Conceptos

de error en

estado

estacionario.

Pantalla

Computadora

Lecturas

Videos


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Unidad temática 3: Estabilidad, análisis del Lugar geométrico de las raíces Competencias particulares: Analizar sistemas de control mediante el uso de la técnica del lugar de las raíces, con el fin de comprender el impacto de la ganancia en la respuesta transitoria, usando hojas milimétricas y Matlab®.




Analizar sistemas de control mediante el uso de la técnica del lugar de las raíces, con el fin de comprender el impacto de la ganancia en la respuesta transitoria, usando hojas milimétricas y Matlab

®


Problemas resueltos

3


� Formato contestado

claramente

� con datos del estudiante

que incluya al menos

nombre y grupo

Problemas propuestos

� Identificar a que orden

pertenece el caso de

estudio y según ubicación

de raíces estabilidad.

� Determina estabilidad

aplicando el criterio de

Routh-Hurwitz

� Construye el lugar geométrico de las raíces.

� Identifica el tipo de respuesta transitoria según el valor de la ganancia del sistema

� Tiene claro lo que sucede. Si aplicamos los modos de control, como responde el sistema

Se formaran equipos con casos

diferentes se resolverá en un

tiempo establecido y se

mostrara l grupo, se

establecerán conclusiones.

Se realizarán algunos problemas cuyos resultados se discutirán en clase

Conceptos: � Condiciones para que un

sistema sea estable.

� Características que

definen la estabilidad de

un sistema de primer y

segundo orden

� Determinación de la

estabilidad de un

sistema de orden n,

partiendo de la ecuación

característica (Routh -

Hurwitz)

� Concepto del Lugar

geométrico de las raíces

y reglas para construirla

� Conceptos de modos de

control y como afectan

al aplicarlos en el lugar

geométrico de las raíces

como controladores.

Pantalla

Computadora

Lecturas

Videos

Equipo de

laboratorio


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Unidad temática 4: Respuesta en frecuencia Competencias particulares: Analizar un sistema dinámico en el dominio de la frecuencia, a partir de una función de transferencia propuesta, con el fin de definir los márgenes de fase y ganancia.



Criterios de desempeño

Actividades de aprendizaje Contenidos Recursos

Analizar un sistema dinámico en el dominio de la frecuencia con el fin de establecer los márgenes de fase y ganancia mediante el método de respuesta a la frecuencia (BODE)

Problemas resueltos 4

Problemas resueltos 4 � Presentación. � Información

obtenida para lograr el objetivo.

� Procedimiento. � Resultados. � Conclusiones.

Calcular las ecuaciones de magnitud y fase del sistema propuesto para obtener la tabulación de frecuencia, magnitud y fase y las gráficas de Bode.

� Concepto de respuesta en frecuencia.

� Construcción de graficas de Bode.

� Determinación de la estabilidad de un sistema a partir del margen de fase y margen de ganancia.

� El efecto de la variación de la ganancia sobre la gráfica de Bode y la estabilidad.

Pantalla Computadora Lecturas Software de simulación


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Evaluación integral de procesos y productos (ponderación /evaluación sumativa) Evidencia Ponderación Hoja de definiciones 1 5 % Ensayo sobre el debate 1 5 % Hoja de definiciones 2 5 % Ensayo sobre el debate 2 5 % Hoja de respuestas 1 5 % Hoja de respuestas 2 5 %

Problemas resueltos 1 5 %

Problemas resueltos 2 5 % Problemas resueltos 3 5 % Problemas resueltos 4 5 % Exámenes 30 % Producto integrador de aprendizaje: Producto integrador 20 %

Al finalizar la unidad de aprendizaje el estudiante entregará un reporte del análisis de un sistema utilizando técnicas basadas en la respuesta en el tiempo y en el dominio de la frecuencia que incluya en ambos casos la determinación de las condiciones para estabilidad del sistema. Cálculo de parámetros y respuesta esperada tanto en el transitorio como en el estado permanente. Para el análisis anterior utilizará el software Matlab® o equivalente.

Fuentes de apoyo y consulta:

� Libro: Ingeniería de control Autor: W. Bolton 2ª edición

Editorial: Alfaomega


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� Libro: Ingeniería de control moderna 4ª edición

Autor: KatsuhikoOgata Editorial: Prentice Hall

� Libro: Sistemas modernos de control 10ª Edición Autor: Richard C. Dorf

Editorial: Addison-Wesley

� Libro: Modern Control Systems 10th Ed

Autor: Dorf, Richard C.; Bishop, Robert H. Editorial: Prentice Hall

� Libro: Sistemas de control automático 7ª. edición Autor: Benjamín C. Kuo

Editorial: Prentice Hall

o Tema: Ingeniería de Control Liga: http://mit.ocw.universia.net/2.003/s02/index.html

Fecha última revisión: 21 de Junio de 2011

� Revista: Transactions of the American Institute of Electrical Engineers

Año: 1950 # de revista: 69

Mes: Nombre del artículo: Control System Synthesis by Root Locus Method

Autor: Walter R. Evans


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Perfil del docente: . Ficha bibliográfica del profesor:

JEFATURA DE ACADEMIA JEFATURA DE DEPARTAMENTO

COORDINACIÓN DE LA DIVISIÓN SUBDIRECCIÓN ACADÉMICA DE ELECTRÓNICA Y CONTROL

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