Modelado de Sistemas

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
SECRETARÍA ACADÉMICA
DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y
CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS
PROGRAMA SINTÉTICO
CARRERA:
ASIGNATURA:
Ingeniería en Control y Automatización
Modelado de Sistemas
SEMESTRE:
Cuarto
OBJETIVO GENERAL:
El alumno empleará los conceptos básicos del modelado en la formulación y simulación de los modelos
matemáticos para evaluar el comportamiento dinámico de los sistemas de control.
CONTENIDO SINTÉTICO:
I. Conceptos Básicos
II. Herramientas Computacionales para la Solución del Modelo Matemático
III. Modelado y Dinámica de Sistemas Físicos Lineales
IV. Modelado y Dinámica de Sistemas Físicos no Lineales
V. Identificación y Sensibilidad de Sistemas
METODOLOGÍA:
Se utilizará diversas técnicas de aprendizaje (elaborativas, exploratoria y regulativas) para promover la
participación activa de los estudiantes en la búsqueda, de que actúen con pensamiento crítico y reflexivo.
EVALUACIÓN Y ACREDITACIÓN:
Se evaluará con tres exámenes departamentales, Primer examen unidades: I y II, Segundo: examen
unidad III, Tercer examen: unidades IV y V. La calificación de la teoría será el promedio de los tres
exámenes departamentales con un peso de 50%, cada alumno elaborará y entregará un reporte por
práctica de laboratorio efectuada y el promedio de las calificaciones obtenidas tendrá un peso del 50%.
La calificación definitiva será la suma de la obtenida en la teoría y en el laboratorio. Siempre y cuando,
ambas sean aprobatorias.
BIBLIOGRAFÍA:
G:H: Hostetter, C:J: Savant y R:T: Stefant. Sistemas de Control; nueva editorial latinoamericana
Howard L. Harrison y John G. Bollinger. Controles Automáticos; Editorial, Trillas.
Benjamin C. Kuo. Sistemas Automáticos de Control; Compañía Editorial Continental, S.A. de C.V.
Eronii Umez-Eronini, “Dinámica de Sistemas y Control”; Ed. Thomas Learning.
Katsuhiko Ogata; “Ingeniería de Control Moderna”, Ed. Prentice Hall.
Katsuhiko Ogata “Dinámica de Sistemas”; Ed. Prentice Hall.
Katsuhiko Ogata; “Problemas de Ingeniería de Control Utilizando Matlab un Enfoque Práctico”; Ed.
Prentice Hall.
Smith y Corripio; “Control Automático de Procesos Teoría y Práctica”; Ed. Limusa.
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CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS
ESCUELA: Superior de Ingeniería Mecánica y
Eléctrica
CARRERA: Ingeniería en Control y Automatización
OPCIÓN:
COORDINACIÓN:
DEPARTAMENTO: Académico de Ingeniería en
Control y Automatización
ASIGNATURA: Modelado de Sistemas
SEMESTRE: 4°
CLAVE:
CRÉDITOS: 9
VIGENTE: Agosto 2004
TIPO DE ASIGNATURA: Teórico-Práctica
MODALIDAD: Escolarizada
TIEMPOS ASIGNADOS
HRS./SEMANA / TEORÍA: 3
HRS./SEMANA / PRÁCTICA: 3
HRS./TOTALES / SEMANA: 6
HRS./SEMESTRE / TEORÍA: 54
HRS./SEMESTRE / PRÁCTICA: 54
HRS./TOTALES: 108
PROGRAMA ELABORADO O ACTUALIZADO:
POR: Academia de Control y Automatización
REVISADO POR: Subdirección Académica.
APROBADO Por: Consejo Técnico Consultivo
Escolar de la ESIME Zacatenco
Dr. Alberto Cornejo Lizarralde
AUTORIZADO POR: Comisión de Planes y
Programas de Estudio del Consejo General
Consultivo del IPN
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CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS
ASIGNATURA: Modelado de Sistemas
CLAVE:
HOJA: 2 DE 9
FUNDAMENTACION DE LA ASIGNATURA
En la formación del ingeniero en control y automatización, es necesario el dominio de los sistemas de
control, por esta razón el estudio de los modelos matemáticos obtenidos de los sistemas físicos tanto
eléctricos, mecánicos, hidráulicos, neumáticos y térmicos son de gran importancia.
Este curso es introductorio a la teoría del control, ya que se plantean las bases metodológicas para el
análisis de los sistemas de control, es decir, el modelado y la simulación de sistemas.
Las asignaturas antecedentes son: Ecuaciones Diferenciales. Teoría de los Circuitos I, Fundamentos de
Programación, Métodos Numéricos, Electricidad y Magnetismo, Física Clásica, Química Clásica y
Mecánica.
Las asignaturas consecuentes son: Teoría del Control I, Máquinas Eléctricas I, Electrónica II
Las asignaturas colaterales son: Teoría de los Circuitos II, Electrónica I
OBJETIVO DE LA ASIGNATURA
El alumno empleará los conceptos básicos del modelado en la formulación y simulación de los modelos
matemáticos para evaluar el comportamiento dinámico de los sistemas de control.
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ASIGNATURA:
No. UNIDAD:
Modelado de Sistemas
I
NOMBRE:
CLAVE:
HOJA:
3
DE:
9
Conceptos Básicos.
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
El alumno utilizará tanto la terminología que involucra el modelado de los sistemas físicos, como su
relación con los sistemas de control.
No.
TEMA
TEMAS
HORAS
T
1.5
P
EC
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
4B, 5C
1.1
Introducción.
1.2
Definición de términos (Sistema, Control,
Modelado, Simulación, Tiempo Real, Emulador,
Función de Transferencia, etc.)
1.5
4B, 5C
1.3
1.3.1
Clasificación de Sistemas.
Parámetros
distribuidos,
Parámetros
concentrados.
Deterministicos, Estocásticos.
Tiempo continuo, Tiempo discreto.
Lineales, No lineales.
Variantes en el tiempo, Invariantes en el tiempo.
Homogéneo, No homogéneo.
1.5
4B, 5C, 3C
Diferentes Representaciones de los Modelos
Matemáticos SISO y MIMO.
Representación en ecuaciones diferenciales.
Representación en variables de estado.
Representación en diagramas de simulación
analógica.
Representación en función de transferencia.
Representación en diagramas a bloques.
Representación en diagramas de flujo de señal.
4.0
4B, 5C, 3C
1.3.2
1.3.3
1.3.4
1.3.5
1.3.6
1.4
1.4.1
1.4.2
1.4.3
1.4.4
1.4.5
1.4.6
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
Investigación por parte del alumno de sistemas reales en los cuales pueda aplicar los temas vistos.
Solución de ejercicios y de aplicación práctica con el uso de la computadora.
Visitas técnicas.
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
Realización del un examen escrito de los temas de la unidad. La calificación se complementará con las
investigaciones realizadas y la participación en la solución de ejercicios en el salón de clase
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ASIGNATURA:
No. UNIDAD:
Modelado de Sistemas
II
NOMBRE:
CLAVE:
HOJA:
4
DE:
9
Herramientas computacionales para la solución del modelo
matemático
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
Aplicación del alumno de las herramientas computacionales necesarias para la solución de los modelos
matemáticos de sistemas.
No.
TEMA
TEMAS
HORAS
T
1.5
P
EC
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
7B, 5C
2.1.1
2.1.2
Lenguajes de Programación Aplicados a la
Solución del Modelo.
C/C++, Matlab, etc.
Análisis comparativo (ventajas y desventajas)
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
Introducción a Matlab.
Solución de ecuaciones diferenciales
Solución del modelo de estado.
Solución de funciones de transferencia.
Obtención de representaciones equivalentes.
4.0
7.5
7B, 5C
2.3
2.3.1
2.3.2
Introducción a Simulink.
Solución de diagramas de simulación.
Solución de diagramas de bloques.
3.0
4.5
7B, 5C
2.1
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
Exposición de los temas por el profesor con el auxilio de la computadora digital.
Solución de ejercicios de aplicación práctica con el uso de la computadora.
Solución de tareas por parte de los alumnos en el salón de clase.
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
Primer examen departamental, reporte de las prácticas y participación activa del alumno en la solución de
ejercicios.
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ASIGNATURA:
No. UNIDAD:
Modelado de Sistemas
III
NOMBRE:
CLAVE:
HOJA:
5
DE:
9
Modelado y dinámica de sistemas físicos lineales
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
Modelación por el alumno de sistemas físicos lineales, mediante la aplicación de las leyes físicas, y
analizará la respuesta temporal de estos sistemas, como un medio de validación del modelo.
No.
TEMA
3.1
3.1.1
3.1.2
3.2
3.2.1
3.2.2
3.3
3.3.1
3.3.2
3.4
3.4.1
3.4.2
3.5
3.5.1
3.5.2
TEMAS
Modelado de Sistemas Eléctricos.
Representación
en
ecuación
diferencial,
transformada de Laplace, diagrama a bloques,
variables de estado.
Solución del modelo mediante métodos
numéricos, usando entradas de prueba típicas.
Modelado de Sistemas Mecánicos.
Representación
en
ecuación
diferencial,
transformada de Laplace, diagrama a bloques,
variables de estado.
Solución del modelo mediante métodos
numéricos, usando entradas de prueba típicas.
Modelado de Sistemas Electromecánicos.
Representación
en
ecuación
diferencial,
transformada de Laplace, diagrama a bloques,
variables de estado.
Solución del modelo mediante métodos
numéricos, usando entradas de prueba típicas.
Modelado de Sistemas Químicos.
Representación
en
ecuación
diferencial,
transformada de Laplace, diagrama a bloques,
variables de estado.
Solución del modelo mediante métodos
numéricos, usando entradas de prueba típicas.
Sistemas Análogos
Analogías entre elementos.
Analogías entre sistemas (eléctrico-mecánico
longitudinal,
eléctrico-mecánico
rotacional,
eléctrico-sistemas químicos, etc)
HORAS
T
4.0
P
3.5
4.0
3.5
1C, 2B, 3C, 4B, 5C,
6B
4.0
3.5
1C, 2B, 3C, 4B, 5C,
6B
4.0
3.5
1C, 2B, 3C, 4B, 5C,
6B, 8C
2.0
EC
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
1C, 2B, 3C, 4B, 5C,
6B
1C, 2B, 3C, 4B, 5C,
6B, 8C
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
Elaboración de estrategias acordes con los propios estilos cognitivos que consideren el posible uso de
diversas técnicas de estudio y materiales didácticos.
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
Realización del segundo examen departamental. La calificación del reporte de las prácticas que abarca
la unidad y la participación del alumno en la solución de ejercicios en el salón de clase será la calificación
de este modulo.
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ASIGNATURA:
No. UNIDAD:
Modelado de Sistemas
IV
NOMBRE:
CLAVE:
HOJA:
6
DE:
9
Modelado y dinámica de sistemas físicos no lineales
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
Modelación por el alumno de los sistemas físicos no lineales mediante diferentes métodos matemáticos y
analizará la respuesta temporal de estos sistemas como un medio de validación del modelo
No.
TEMA
TEMAS
P
Modelado de Sistemas Electromecánicos.
Representación
en
ecuación
diferencial,
transformada de Laplace, diagrama a bloques,
variables de estado.
Solución del modelo mediante métodos
numéricos, usando entradas de prueba típicas.
4.0
3.0
4B
Modelado de Sistemas Químicos.
Representación
en
ecuacion
diferencial,
transformada de Laplace, diagrama a bloques,
variables de estado.
Solución del modelo mediante métodos
numéricos, usando entradas de prueba típicas..
4.0
3.0
8C
Linealización de Funciones.
Univariables.
Multivariables.
4.2
4.2.1
4.3
4.3.1
4.3.2
EC
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
T
2.0
4.1
4.1.1
4.1.2
4.2.2
HORAS
2B, 8C
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
ƒ Interacción con el profesor y atender sus indicaciones: tareas, exposición, orientación, ayudas.
ƒ Realización de simulaciones con el uso de la computadora.
ƒ Interacción práctica-teórica con el objeto de desarrollar la observación y el análisis.
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
Examen del período, reporte de prácticas de laboratorio y participación individual y grupal por parte de los
alumnos.
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ASIGNATURA:
No. UNIDAD:
Modelado de Sistemas
V
NOMBRE:
CLAVE:
HOJA:
7
DE:
9
Identificación y sensibilidad de sistemas
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
Identificación por el alumno del modelo a partir de su respuesta temporal, análisis de la sensibilidad del
modelo ante la variación de sus parámetros y evaluación de la sensibilidad del sistema ante la variación
de los parámetros y perturbaciones no deseadas.
No.
TEMA
HORAS
TEMAS
T
1.5
P
Identificación de sistemas de primer orden, a
partir de las características de la respuesta
temporal.
1.5
6.0
8C
5.3
Identificación de sistemas de segundo orden, a
partir de las características de la respuesta
temporal.
1.5
6.0
8C
5.4
La función de sensibilidad.
1.5
5.5
Estudio de la sensibilidad parametrica.
1.5
5.6
Estudio
de
la
retroalimentación.
5.1
Introducción a la identificación de sistemas.
5.2
sensibilidad
de
la
1.5
EC
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
8C
4B
6.0
4B
4B
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
ƒ Elaboración y verificación de hipótesis y aplicación estrategias de ensayo error en la resolución
de los problemas.
ƒ Interacción práctica-teórica.
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
Realización del tercer examen departamental, la calificación del reporte de las prácticas y la participación
del alumno en la solución de ejercicios será la calificación de las unidades IV y V.
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CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS
ASIGNATURA:
Modelado de Sistemas
CLAVE:
HOJA:
8
DE:
9
RELACIÓN DE PRACTICAS
Práctica
No.
1
NOMBRE DE LA PRACTICA
Introducción a
programación
Matlab
y
lenguajes
II
DURACIÓN
[Horas]
6.0
UNIDAD
de
2
Solución de modelos aplicando Matlab.
II
6.0
3
Análisis y validación del modelado sistemas
eléctricos.
III
6.0
4
Análisis y validación del modelado sistemas
mecánicos.
III
6.0
5
Análisis y validación del
sistemas electromecánicos.
modelado
de
III y IV
6.0
6
Análisis y validación
sistemas químicos.
modelado
de
III y IV
6.0
V
6.0
del
7
Identificación de modelos a partir de la
respuesta de sistemas de primer orden.
8
Identificación de modelos a partir de la
respuesta de sistemas de segundo orden.
V
6.0
9
Análisis de la sensibilidad de los sistemas.
V
6.0
LUGAR DE
REALIZACIÓN
Todas las
prácticas se
realizarán en el
laboratorio de
Teoría de Control
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ASIGNATURA:
Modelado de Sistemas
CLAVE:
HOJA:
9
DE:
9
PERIODO
UNIDAD
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
1º
I y II
Evaluación con tres exámenes departamentales y la
participación del alumno en clase lo cual tendrá un peso del
50%.
2º
III
Cada alumno elaborará y entregará un reporte técnico por
práctica de laboratorio efectuada, y el promedio de las
calificaciones obtenidas tendrá un peso del 50%.
3º
IV y V
La calificación definitiva será la suma de la obtenida en la
teoría y en el laboratorio. Siempre y cuando, ambas sean
aprobatorias.
CLAVE
B
1
2
X
3
X
C
BIBLIOGRAFÍA
X
G. H. Hostetter, C. J. Savant y R. T. Stefani; “Sistemas de
Control”; Nueva Editoril Latinoamericana.
Howard L. Harrison y John G. Bollinger; “Controles
Automáticos”; Ed. Trillas.
Benjamin C. Kuo; “Sistemas Automáticos de Control”; Compañía
Editorial Continental, S. A. de C. V.
Eronini Umez-Eronini; “Dinámica de Sistemas y Control”; Ed.
Thomas Learning.
Katsuhiko Ogata; “Ingenieria de Control Moderna”; Ed. Prentice
Hall.
Katsuhiko Ogata; “Dinámica de Sistemas”; Ed. Prentice Hall.
Katsuhiko Ogata; “Problemas de Ingeniería. de Control
Utilizando Matlab Un Enfoque Práctico”; Ed. Prentice Hall.
Smith y Corripio; “Control Automático de Procesos Teoria y
Práctica”; Ed. Limusa.
X
4
5
X
6
7
8
X
X
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SECRETARÍA ACADÉMICA
DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y
CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS
PERFIL DOCENTE POR ASIGNATURA
1. DATOS GENERALES
ESCUELA:
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
CARRERA:
Ingeniería en Control y Automatización
ÁREA:
BÁSICAS C. INGENIERÍA
ACADEMIA:
D. INGENIERÍA
Control y Automatización
ESPECIALIDAD Y NIVEL ACADÉMICO
REQUERIDO:
SEMESTRE
4°
C. SOC. y HUM.
ASIGNATURA:
Modelado de Sistemas
Ingeniero en control, preferentemente con Posgrado en área
afín con la carrera.
2. OBJETIVOS DE LA ASIGNATURA:
El alumno empleará los conceptos básicos del modelado en la formulación y simulación de los
modelos matemáticos para evaluar el comportamiento dinámico de los sistemas de control.
3. PERFIL DOCENTE:
CONOCIMIENTOS
• Modelación
matemática por
medio de
ecuaciones
diferenciales
• Función de
transferencia
• Álgebra de bloques
• Analogía entre
sistema.
• Estabilidad de
sistema
• Respuesta a la
frecuencia.
• Lugar de las raíces
EXPERIENCIA
PROFESIONAL
• En la selección,
aplicación, operación y
diseño de sistemas de
control aplicados a las
industrias: petroquímica,
alimenticia,
manufacturera y
química.
ELABORÓ
M en C. Fco. J. Villanueva Magaña
PRESIDENTE DE ACADEMIA
HABILIDADES
• Comunicación
• Establecimiento
de climas
favorables al
aprendizaje.
• Transferencia del
conocimiento
teórico a la
solución de
problemas.
• Análisis y
síntesis.
• Para motivar al
auto estudio, el
razonamiento y
la investigación.
• Manejo de
grupos.
• Realizar
analogías y
comparaciones
en forma simple.
ACTITUDES
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
REVISÓ
Ing. Guillermo Santillán Guevara
SUBDIRECTOR ACADÉMICO
Critica fundamentada
Respeto
Tolerancia
Compromiso con la
docencia.
Ética
Responsabilidad
Científica
Colaboración
Superación docente y
profesional.
Cooperativa
Liderazgo.
AUTORIZÓ
Dr. Alberto Cornejo Lizarralde
DIRECTOR DEL PLANTEL
FECHA:
Marzo-2004