Teoría del Control II

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
SECRETARÍA ACADÉMICA
DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y
CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS
PROGRAMA SINTÉTICO
CARRERA:
ASIGNATURA:
Ingeniería en Control y Automatización
Teoría de Control II
SEMESTRE:
Sexto
OBJETIVO GENERAL:
El alumno aplicará las técnicas básicas de diseño de las redes de compensación para mejorar la
respuesta de los sistemas de control. Así mismo, explicará los efectos no-lineales presentes en los
sistemas de control mediante la interpretación y formulación de técnicas clásicas de análisis tal como la
linealización, la función descriptiva el plano de fase.
CONTENIDO SINTÉTICO:
I. Método del Lugar Geométrico de las Raíces.
II. Compensación de Sistemas de Control.
III. Efectos No-lineales de los Sistemas Físicos.
IV. Método de la Función Descriptiva.
V. Método del Plano de Fase.
METODOLOGÍA:
Consulta en libros de texto de unidades o temas por parte del alumno y definidos por el profesor
Participación activa de los estudiantes en la solución de problemas en clase y extra clase.
Exposición por parte del profesor y de los alumnos empleando: presentaciones en power point, acetatos,
prototipos, rotafolios
EVALUACIÓN Y ACREDITACIÓN:
Se evaluará con tres exámenes departamentales, Primer examen unidades: I y II, Segundo: examen
unidades III y IV, Tercer examen: unidad 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 40%.
Participación en clase, tareas, trabajos y actividades extra clase con un valor del 10%. La calificación
definitiva será la suma de la obtenida en la teoría, en el laboratorio y; participaciones, tareas, trabajos, y
actividades extra clase. Siempre y cuando, la teoría y el laboratorio sean aprobatorios.
BIBLIOGRAFÍA:
Benjamin C. Kuo; Sistemas Automáticos de Control; Ed. Prentice Hall, 1996, Séptima Edición; México,
897 pags.
Eronini Umez-Eronini; Dinámica de Sistemas y Control; Ed. Thomas Learning, 2001, Primera Edición;
México, 993 pags.
Katsuhiko Ogata; Ingenieria de Control Moderna; Ed. Prentice Hall, 2002, Cuarta Edición; México, 995
pags.
J.J. D’azzo, C.H. Houpins, Feedback Control System Analysis and Synthesis, Ed. Mc Graw Hill, 1966,
Second Editión; Japón, 824
Thaler & Brown, Analysis and Design of Nonlinear Feedback Control Systems, Ed. Mc Graw Hill, 1962,
First Edition;E.U.A., 414 pags.
David M. Auslander, Introducción a Sistemas y Control, Ed. Mc Graw Hill, 1976, Traducción de la
Primera Edición; México, 689 pags.
I. J. Nagrat, M. Gopal, Control Systems Engineering, Ed. Jhon Wiley, 1982, Second Edition; India, 491
pags.
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SECRETARÍA ACADÉMICA
DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y
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: Teoría de Control II
SEMESTRE: Sexto
CLAVE:
CRÉDITOS: 10.5
VIGENTE: Agosto 2005
TIPO DE ASIGNATURA: Teórico-Práctica
MODALIDAD: Escolarizada
TIEMPOS ASIGNADOS
HRS./SEMANA / TEORÍA: 4.5
HRS./SEMANA / PRÁCTICA: 1.5
HRS./TOTALES / SEMANA: 6
HRS./SEMESTRE / TEORÍA: 81
HRS./SEMESTRE / PRÁCTICA: 27
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
M. en C. Jesús Reyes García
AUTORIZADO POR: Comisión de Planes y
Programas de Estudio del Consejo General
Consultivo del IPN
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CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS
ASIGNATURA:
Teoría de Control II
CLAVE:
HOJA:
2
DE
9
FUNDAMENTACION DE LA ASIGNATURA
Un aspecto importante que todo Ingeniero en Control y Automatización debe dominar, se relaciona con el
diseño y análisis de los sistemas de control, teniendo una gran trascendencia el aspecto de la
compensación de los sistemas, ya que desde el punto de vista del control, ésta permitirá que los
procesos industriales trabajen dentro de los estándares de calidad que demanden. Por esta razón el
curso de Teoría de Control II abarca estos temas y proporciona las bases necesarias para que el alumno
pueda desarrollar más adelante el conocimiento detallado de los sistemas de control.
Por otro lado, es importante que el alumno tenga presente que aún cuando idealmente los componentes
de los sistemas de control se consideran lineales, o bien se encuentran operando en puntos de operación
fijos, en realidad los sistemas poseen diversos efectos no lineales que es necesario conocer. Por lo tanto,
es necesario que el Ingeniero en Control y Automatización conozca métodos de análisis para cuando estos
efectos no lineales sean considerables y no se puedan omitir en el diseño de un sistema de control.
Las asignaturas antecedentes son: Variable Compleja y Transformadas de Fourier y Z, Teoría de Control
I, Electrónica II, Máquinas Eléctricas I, Teoría de los Circuitos I y Teoría de los Circuitos II.
Las asignaturas consecuentes son: Teoría del Control III, Instrumentos Analíticos de Medición.
Las asignaturas colaterales son: Electrónica III, Máquinas Eléctricas II, Elementos de Transmisión y
Control.
OBJETIVO DE LA ASIGNATURA
El alumno aplicará las técnicas básicas de diseño de las redes de compensación para mejorar la
respuesta de los sistemas de control. Así mismo, explicará los efectos no-lineales presentes en los
sistemas de control mediante la interpretación y formulación de técnicas clásicas de análisis tal como la
linealización, la función descriptiva el plano de fase.
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ASIGNATURA:
No. UNIDAD:
Teoría de Control II
I
NOMBRE:
CLAVE:
HOJA:
3
DE
9
Método del Lugar Geométrico de las Raíces.
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
El alumno describirá las técnicas de análisis, pruebas experimentales y procedimientos de diseño,
utilizados en la construcción, operación y compensación de los sistemas de control.
No.
TEMA
HORAS
TEMAS
T
1.5
P
EC
3.0
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
1.1
Introducción y bases para el estudio de los
sistemas de control mediante el método del lugar
geométrico de las raíces.
1.2
El método del lugar de las raíces, reglas para su
construcción y ejemplos.
4.5
1B, 2C, 3B, 4B
1.3
Relación del lugar geométrico de las raíces con la
respuesta temporal y la respuesta a la frecuencia
en los sistemas de control.
2.5
1B, 2C, 3B, 4B
1.4
Aplicación del método del lugar de las raíces para
determinar los diferentes comportamientos de un
sistema de control
4.5
1B, 2C, 3B, 4B
1.5
Lugar de las raíces de un controlador PID
2.5
1B, 2C, 3B, 4B
1.6
Lugar de las raíces de sistemas
retroalimentación en laso menor.
2.5
1B, 2C, 3B, 4B
con
1B, 2C, 3B, 4B
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
Investigación por parte del alumno de sistemas reales en los cuales pueda describir los conceptos vistos.
Solución de ejercicios que permitan al alumno formular y evaluar los conceptos básicos del método del
lugar geométrico de las raíces.
Tareas y trabajos entregados
Búsqueda bibliográfica de nuevos conceptos sugeridos por el profesor
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
Examen escrito de las unidades I y II con un valor del 50%
Participación en clase, tareas, trabajos y actividades extra clase con un valor del 10%.
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CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS
ASIGNATURA:
No. UNIDAD:
CLAVE:
Teoría de Control II
II
NOMBRE:
HOJA:
4
DE
9
Compensación de Sistemas de Control.
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
El alumno calculará los parámetros básicos de diseño, y seleccionará los valores de las redes de
compensación para mejorar la respuesta dinámica de un sistema.
No.
TEMA
TEMAS
HORAS
T
1.5
P
EC
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
2.1
2.1.1
Bases para la compensación de los sistemas.
Características de la compensación en serie y
en retroalimentación.
2.2
Elementos compensadores y su implementación
física.
1.5
2.3
2.4
2.5
Red de compensación en atraso de fase.
Red de compensación en delante de fase.
Red de compensación en atraso-adelanto de
fase.
1.5
1.5
1.5
2.6
Redes”T”
1.5
2.7
2.7.1
6.0
1.5
1B, 2C, 3B, 4B
2.7.2
Compensación en serie.
Diseño usando gráficas de respuesta a la
frecuencia.
Diseño usando el lugar de las raíces.
2.8
2.8.1
Compensación en retroalimentación.
Diseño usando el lugar de las raíces.
3.0
1.5
1B, 2C, 3B, 4B
1B, 2C, 3B, 4B
1B, 2C, 3B, 4B
3.0
3.0
3.0
1B, 2C, 3B, 4B
1B, 2C, 3B, 4B
1B, 2C, 3B, 4B
1B, 2C, 3B, 4B
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
Solución de ejercicios de aplicación práctica con el uso de la computadora, integración y evaluación de
los conceptos del método del lugar de las raíces con la compensación de sistemas de control.
Solución de tareas por parte de los alumnos en el salón de clase.
Exposición de los temas por el profesor con el auxilio de la computadora digital.
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
Primer examen departamental. De las unidades I y II con un valor del 50%
Participación en clase, tareas, trabajos y actividades extra clase con un valor del 10%.
Reporte de las prácticas con un valor del 40%.
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ASIGNATURA:
No. UNIDAD:
CLAVE:
Teoría de Control II
III
NOMBRE:
HOJA:
5
DE
9
Efectos No-lineales de los Sistemas Físicos
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
El alumno describirá y analizará tanto los efectos no lineales presentes en los sistemas de control, como
su respuesta ante una señal del tipo senoide.
No.
TEMA
HORAS
TEMAS
sistemas
T
1.5
P
EC
3.0
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
3.1
Diferencias principales entre los
lineales y los sistemas no-lineales
1B, 2C, 5B, 6C, 7C
3.2
3.2.1
3.2.2
Linealización
Sistemas univariables.
Sistemas multivariables.
4.0
1B, 2C, 3B, 5B, 6C,
7C
3.3
Linealización de curvas de operación.
1.5
5B, 6C
3.4
3.4.1
Características y modelo de no linealidades
típicas y combinadas.
Saturación, zona muerta, histéresis, juego
mecánico, fricción (estática, viscosa, de
Coulomb), relevador ideal, cuantificador, etc.
3.0
3.0
1B, 2C, 5B, 6C, 7C
3.5
Curvas de respuesta de las no linealidades.
4.0
3.0
1B, 2C, 5B, 6C, 7C
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
Investigación por parte del alumno de sistemas reales, identificación y descripción de los efectos no
lineales existentes en tales sistemas.
Investigación por parte del alumno de sistemas reales regidos por curvas de operación tal que proponga
su modelo linealizado.
Solución de ejercicios que permitan al alumno formular y verificar los efectos no lineales en los sistemas
físicos.
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
Participación en clase, tareas, trabajos y actividades extra clase con un valor del 10%.
Reporte de práctica de laboratorio con un valor del 40%
Examen escrito de las unidades III y IV con un valor del 50%
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CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS
ASIGNATURA:
No. UNIDAD:
Teoría de Control II
IV
NOMBRE:
CLAVE:
HOJA:
6
DE
9
Método de la Función Descriptiva
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
El alumno aplicará el método de la función descriptiva para el análisis de sistemas no lineales en el
dominio de la frecuencia.
No.
TEMA
HORAS
TEMAS
T
2.0
4.1
4.1.1
Introducción a la función descriptiva.
Definición, cálculo de coeficientes, limitaciones.
4.2
Desarrollo de funciones
diversas no linealidades.
4.3
Análisis de la estabilidad de sistemas no-lineales
mediante la función descriptiva (gráficas e
interpretación)
Servomecanismos con efectos no lineales.
5.0
Compensación mediante el lugar de la función
descriptiva.
3.0
4.3.1
4.4
descriptivas
para
P
8.0
EC
2.0
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
1B, 2C, 5B, 6C, 7C
1B, 2C, 5B, 6C, 7C
3.0
1B, 2C, 5B, 6C, 7C
1B, 2C, 5B, 6C, 7C
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
Interacción entre el profesor y el alumno a través de tareas, exposiciones, orientaciones y ayudas para la
solución conjunta de ejercicios.
Realización de prácticas
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
Segundo examen departamental, que abarca las unidades III y IV, con un valor del 50%.
Participación en clase, tareas, trabajos y actividades extra clase con un valor del 10%.
Reporte de práctica de laboratorio con un valor del 40%
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DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y
CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS
ASIGNATURA:
No. UNIDAD:
CLAVE:
Teoría de Control II
V
NOMBRE:
HOJA:
7
DE
9
Método del Plano de Fase
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
El alumno explicará el comportamiento de los sistemas dinámicos no lineales en el dominio del tiempo
usando el plano de fase.
No.
TEMA
TEMAS
HORAS
El espacio n-dimensional.
T
1.0
P
5.1
5.2
El plano de fase en sistemas lineales.
1.0
1.5
5.3
Trazo de la trayectoria de fase mediante el
método de las isoclinas.
2.5
1B, 2C, 3B, 5B, 6C
5.4
Puntos singulares y comportamiento dinámico
del sistema.
1.0
1B, 2C, 3B, 5B, 6C,
7C
5.5
El plano de fase en sistemas no lineales.
1.5
1B, 2C, 3B, 5B, 6C
5.6
5.6.1
Ciclos limite
Definición, tipos, determinación.
1.0
1B, 2C, 3B, 5B, 6C
5.7
Obtención de la respuesta transitoria de un
sistema no lineal a partir de su trayectoria de
fase.
2.0
1.5
1B, 2C, 3B, 5B, 6C
5.8
Análisis de sistemas no lineales mediante el
plano de fase.
Servomecanismos con efectos no.lineales.
3.0
3.0
1B, 2C, 3B, 5B, 6C
5.8.1
EC
3.0
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
1B, 2C, 3B, 5B, 6C
1B, 2C, 3B, 5B, 6C
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
Verificación de hipótesis y desarrollo de los temas aplicando estrategias tanto analíticas como de
simulación digital en la resolución de los problemas.
Interacción teórico-práctica con servomecanismos que permitan su análisis mediante el plano de fase.
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
Realización del tercer examen departamental que abarca la unidad V, con un valor del 50%
Participación en clase, tareas, trabajos y actividades extra clase con un valor del 10%.
Reporte de práctica de laboratorio con un valor del 40%
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CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS
ASIGNATURA:
Teoría de Control II
CLAVE:
HOJA:
8
DE
9
RELACIÓN DE PRACTICAS
Práctica
No.
1
NOMBRE DE LA PRACTICA
UNIDAD
Compensación por atraso de fase de un
sistema físico.
II
DURACIÓN
[Horas]
3.0
2
Compensación por adelanto de fase de un
sistema físico.
II
3.0
3
Compensación por atraso-adelanto de fase
de un sistema físico.
II
3.0
4
Simulación de redes de compensación en
computadora personal y compensación de sistemas.
II
3.0
III
3.0
6
Simulación de las curvas de respuesta de no
linealidades en la computadora personal.
III
3.0
7
Obtención y análisis de la respuesta de un
servo-sistema controlado por un relevador.
IV
3.0
8
Obtención experimental del plano de fase de
sistemas físicos, con y sin efectos no
lineales.
V
3.0
9
Simulación y análisis de sistemas no lineales
mediante el plano de fase en la computadora
personal.
V
3.0
5
la
Obtención experimental de la característica
estática y la característica dinámica de no
linealidades.
LUGAR DE
REALIZACIÓN
Todas las
prácticas se
realizarán en el
laboratorio de
Teoría de Control
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ASIGNATURA:
Teoría de Control II
CLAVE:
HOJA:
9
DE
9
PERIODO
UNIDAD
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
1º
I y II
Evaluación con tres exámenes departamentales el cual tendrá
un valor del 50%.
2º
III y IV
Participación en clase, tareas, trabajos y actividades extra clase
con un valor del 10%.
V
Cada alumno elaborará y entregará un reporte técnico por
práctica de laboratorio efectuada, y el promedio de las
calificaciones obtenidas tendrá un peso del 40%.
3º
La calificación definitiva será la suma de la obtenida en la
teoría, en el laboratorio y; participaciones, tareas, trabajos, y
actividades extra clase. Siempre y cuando, la teoría y el
laboratorio sean aprobatorios.
CLAVE
B
1
X
2
C
X
3
X
4
X
5
X
6
X
7
X
BIBLIOGRAFÍA
Benjamin C. Kuo; Sistemas Automáticos de Control; Ed.
Prentice Hall, 1996, Septima Edición; México, 897 pags.
Eronini Umez-Eronini; Dinámica de Sistemas y Control; Ed.
Thomas Learning, 2001, Primera Edición; México, 993 pags.
Katsuhiko Ogata; Ingenieria de Control Moderna; Ed. Prentice
Hall, 2002, Cuarta Edición; México, 995 pags.
J.J. D’azzo, C.H. Houpins, Feedback Control System Analysis
and Synthesis, Ed. Mc Graw Hill, 1966, Second Editión; Japón,
824
Thaler & Brown, Analysis and Design of Nonlinear Feedback
Control Systems, Ed. Mc Graw Hill, 1962, First Edition;E.U.A.,
414 pags.
David M. Auslander, Introducción a Sistemas y Control, Ed. Mc
Graw Hill, 1976, Traducción de la Primera Edición; México, 689
pags.
I. J. Nagrat, M. Gopal, Control Systems Engineering, Ed. Jhon
Wiley, 1982, Second Edition; India, 491 pags.
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SECRETARÍA ACADÉMICA
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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:
Control y Automatización
ESPECIALIDAD Y NIVEL ACADÉMICO
REQUERIDO:
SEMESTRE
D. INGENIERÍA
Sexto
C. SOC. y HUM.
ASIGNATURA:
Teoría de Control II
Ingeniero en Control, Ingeniero Electricista.
Preferentemente con posgrado en área afín con la carrera.
2. OBJETIVOS DE LA ASIGNATURA:
El alumno aplicará las técnicas básicas de diseño de las redes de compensación para mejorar la
respuesta de los sistemas de control. Así mismo, explicará los efectos no-lineales presentes en los
sistemas de control mediante la interpretación y formulación de técnicas clásicas de análisis tal como la
linealización, la función descriptiva el plano de fase.
3. PERFIL DOCENTE:
CONOCIMIENTOS
•
•
•
•
•
•
•
EXPERIENCIA
PROFESIONAL
Compensación de
• En la selección,
sistemas.
aplicación, operación y
diseño de sistemas de
Efectos no lineales
control multivariables
Linealización
aplicados a las
Función descriptiva
industrias: petroquímica,
Plano de fases
alimenticia,
Estabilidad y ciclos
manufacturera y
limite
química.
Variables y ecuación
de estado.
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
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Critica fundamentada
Respeto
Tolerancia
Compromiso con la
docencia.
Ética
Responsabilidad
Científica
Colaboración
Superación docente y
profesional.
Cooperativa
Liderazgo.
Compromiso Social
ELABORÓ
REVISÓ
AUTORIZÓ
M en C. Fco. J. Villanueva Magaña
Profesor de la Academia
Ing. Guillermo Santillán Guevara
Subdirector Académico
M. en C. Jesús Reyes García
Director del Plantel
FECHA:
Diciembre-2004