Teoría del Control I

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
SECRETARÍA ACADÉMICA
DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y
CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS
PROGRAMA SINTÉTICO
CARRERA: Ingeniería en Control y Automatización
ASIGNATURA: Teoría de Control I
SEMESTRE:
Quinto
OBJETIVO GENERAL:
El alumno aplicará los conceptos básicos del control de sistemas lineales para examinar la respuesta
dinámica de un sistema tal que pueda evaluar el desempeño de sistemas de control tanto en tiempo
continuo como en la frecuencia.
CONTENIDO SINTÉTICO:
I. Conceptos Básicos de Control de Sistemas Lineales
II. Análisis en Estado Transitorio
III. Análisis en Estado Estable
IV. Acciones Básicas de Control
V. Análisis de Sistemas Lineales en la Frecuencia
METODOLOGÍA:
Investigación documental por el alumno
Participación activa de los alumnos 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:
Howard L. Harrison y John G. Bollinger. Controles Automáticos; Editorial, Trillas; México, 785 pags.
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, 965
pags.
J.J. D’azzo, C.H. Houpins, Feedback Control System Analysis and Synthesis, Ed. Mc Graw Hill, 1966,
Second Editión; Japón, 824 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 I
SEMESTRE: Quinto
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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DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y
CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS
ASIGNATURA:
Teoría de Control I
CLAVE:
HOJA:
2
DE
9
FUNDAMENTACION DE LA ASIGNATURA
En la formación del Ingeniero en Control y Automatización, es necesario el dominio del análisis y la
síntesis de los sistemas de control, como un medio por el cual el egresado de ésta carrera pueda
comprender, analizar y proponer soluciones ante posibles disturbios que se presenten en los sistemas
dinámicos. Por esta razón es de gran importancia el estudio de los sistemas de control tanto en estado
transitorio como en estado estable, ya sea que el sistema se encuentre operando en tiempo continuo o en
la frecuencia.
Las asignaturas antecedentes son: Modelado de Sistemas, Electrónica I, Ecuaciones Diferenciales,
Teoría de los Circuitos II
Las asignaturas consecuentes son: Teoría de Control II, Máquinas Eléctricas II, Electrónica III, Elementos
de Transmisión y Control.
Las asignaturas colaterales son: Elementos Primarios de Medición, Electrónica II,
OBJETIVO DE LA ASIGNATURA
El alumno aplicará los conceptos básicos del control de sistemas lineales para examinar la respuesta
dinámica de un sistema tal que pueda evaluar el desempeño de sistemas de control tanto en tiempo
continuo como en la frecuencia.
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CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS
ASIGNATURA:
No. UNIDAD:
CLAVE:
Teoría de Control I
I
NOMBRE:
HOJA:
3
DE
9
Conceptos Básicos de Control de Sistemas Lineales.
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
El alumno describirá los conceptos importantes que intervienen en los sistemas de control, como base
para una total comprensión tanto de este curso como de los posteriores de teoría del control.
No.
TEMA
HORAS
TEMAS
T
0.5
P
EC
2.0
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
1C, 2B, 3B, 4B, 5C
1.1
Concepto de sistema, control, respuesta, etc.
1.2
Estructura de los sistemas de control (laso
abierto, laso cerrado)
1.0
1C, 2B, 3B, 4B, 5C
1.3
Concepto de precisión,
estabilidad y robustez.
1.0
1C, 2B, 3B, 4B, 5C
1.4
Causalidad de los sistemas.
1.0
2B, 3B, 4B, 5C
1.5
Linealidad de los sistemas
superposición.
1.0
1C, 2B, 3B, 4B, 5C
exactitud,
rapidez,
y principio de
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
Investigación por parte del alumno de sistemas reales y descripción de los conceptos vistos.
Solución de ejercicios que permitan al alumno formular y evaluar los conceptos básicos del control de
sistemas lineales
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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ASIGNATURA:
No. UNIDAD:
CLAVE:
Teoría de Control I
II
NOMBRE:
HOJA:
4
DE
9
Análisis en Estado Transitorio.
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
El alumno analizará la respuesta transitoria de un sistema de control y la definirá en términos de sus
características más importantes como base para el diseño de un sistema de control en laso cerrado.
No.
TEMA
TEMAS
HORAS
T
1.0
P
EC
3.0
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
2.1
Señales normalizadas de prueba (escalón,
rampa, impulso, parábola)
2.2
Sistemas propios e impropios.
1.0
2.3
Respuesta y análisis de sistemas de primer
orden.
3.0
3.0
1C, 2B, 3B, 4B, 5C
2.4
Respuesta y análisis de sistemas de segundo
orden.
4.5
3.0
1C, 2B, 3B, 4B, 5C
2.5
Influencia de los polos dominantes en la
respuesta dinámica de un sistema
1.5
2.6
Respuesta y análisis de sistemas de orden
superior.
2.5
2.7
Análisis de estabilidad (criterio de Routh)
4.5
1C, 2B, 3B, 4B, 5C
2B, 3B, 4B, 5C
1C, 2B, 3B, 4B, 5C
3.0
1C, 2B, 3B, 4B, 5C
1C, 2B, 3B, 4B, 5C
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
Solución de ejercicios de aplicación práctica con el uso de la computadora digital
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.
Realización de prácticas de laboratorio
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:
Teoría de Control I
III
NOMBRE:
CLAVE:
HOJA:
5
DE
9
Análisis en Estado Estable
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
El alumno analizará la respuesta en estado estable de un sistema de control y definirá éste en términos
de sus características más importantes como base para el diseño de un controlador
No.
TEMA
TEMAS
HORAS
T
0.5
P
EC
2.0
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
3.1
La ecuación del error.
3.2
Clasificación de los sistemas en base al número
de polos en el origen (Tipo-0, Tipo-1, etc)
0.5
2B, 3B, 4B, 5C
3.3
El teorema del valor final aplicado al análisis del
error de los sistemas de control en régimen
permanente.
1.0
2B, 3B, 4B, 5C
3.4
Análisis del error en sistemas Tipo-0, Tipo-1,
etc., ante las señales de prueba (constante de
error estático)
4.0
3.5
Cálculo de ganancia en base a los coeficientes
de error.
3.0
1C, 2B, 3B, 4B, 5C
1.5
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
Presentar el desarrollo y evaluación de diversos diagramas de magnitud y fase
Realización de prácticas
Resolución de ejercicios en clase coordinados por el profesor
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%
2B, 3B, 4B, 5C
2B, 3B, 4B, 5C
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ASIGNATURA:
No. UNIDAD:
Teoría de Control I
IV
CLAVE:
HOJA:
6
DE
9
NOMBRE: Acciones Básicas de Control
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
El alumno analizará el comportamiento de las acciones básicas de control automático, para hacer uso
adecuado de ellas y realizar una buena sintonización del controlador industrial más ampliamente usado,
como es el PID.
No.
TEMA
TEMAS
HORAS
T
0.5
P
EC
3.0
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
4.1
Control de dos posiciones.
4.2
4.2.1
4.2.2
Control proporcional (P).
Concepto de amplificación y ganancia.
Error en estado estable.
3.0
2B, 3B, 4B
4.3
4.3.1
Control integral (I).
Corrección del error en régimen permanente.
1.5
2B, 3B, 4B
4.4
Control proporcional-integral (PI).
1.0
2B, 3B, 4B
4.5
Acción derivativa (D).
1.0
2B, 3B, 4B
4.6
Control proporcional-integral-derivativo (PID)
3.0
3.0
2B, 3B, 4B
4.7
Sintonización del controlador PID
4.5
3.0
2B, 3B, 4B
4.8
Ejemplos de sistemas controlados con PID
2.0
1.5
2B, 3B, 4B
4.9
4.9.1
Control por laso menor.
Efecto estabilizante del laso menor.
3.0
4.10
Análisis de estabilidad de sistemas controlados
con las acciones (P), (I), (PI), (PID)
3.0
1C, 2B, 3B, 4B, 5C
1C, 2B
2B, 3B, 4B
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
Interacción con el profesor atendiendo sus indicaciones: tareas, y exposición
Realización de simulaciones con el uso de la computadora como un paso previo en el diseño antes de la
implementación práctica.
Interacción práctica-teórica con el objeto de desarrollar la observación y el análisis.
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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CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS
ASIGNATURA:
No. UNIDAD:
CLAVE:
Teoría de Control I
V
NOMBRE:
HOJA:
7
DE
9
Análisis de Sistemas Lineales en la Frecuencia
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
El alumno comprobará mediante el análisis, simulación y pruebas físicas el comportamiento de los
sistemas dinámicos de control cuando están sometidos a una entrada de tipo senoidal.
No.
TEMA
TEMAS
P
Obtención de la respuesta a la frecuencia en
forma experimental.
1.0
3.0
2B, 3B, 4B, 5C
Trazo y análisis de sistemas, mediante gráficas
polares.
Sistemas de primer orden.
Sistemas de segundo orden.
Sistemas de orden superior.
Mapeo de contornos.
Aplicación y criterio de estabilidad de Nyquist.
Estabilidad relativa (margen de ganancia y
margen de fase)
9.0
3.0
2B, 3B, 4B, 5C
Trazo y análisis de sistemas, mediante gráficas
logarítmicas.
Sistemas de primer orden.
Sistemas de segundo orden.
Sistemas de orden superior.
Estabilidad relativa (margen de ganancia y
margen de fase)
8.0
3.0
2B, 3B, 4B, 5C
Relación entre la respuesta temporal y la
respuesta en la frecuencia.
Lugares de amplitud constante y fase constante.
Trazo y análisis de sistemas mediante la carta
de Nichols.
1.5
Concepto de ganancia y fase
Justificación de la substitución de s por jω.
5.3
5.4
5.5
5.5.1
5.5.2
5.5.3
5.5.4
5.6
5.7
5.8
EC
5.0
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
T
1.5
1.0
5.1
5.2
5.4.1
5.4.2
5.4.3
5.4.4
5.4.5
5.4.6
HORAS
2B, 3B, 4B, 5C
2B, 3B, 4B, 5C
2.5
2.5
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
Resolución de ejercicios en clase por parte de los alumnos y coordinados por el profesor
Tarea y trabajos extra clase
Realización de prácticas de laboratorio
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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ASIGNATURA: Teoría de Control I
CLAVE:
HOJA:
8
DE
9
RELACIÓN DE PRACTICAS
Práctica
No.
1
NOMBRE DE LA PRACTICA
UNIDAD
Análisis de sistemas de primer orden (laso
abierto y laso cerrado).
II
DURACIÓN
[Horas]
3.0
2
Análisis de sistemas de segundo orden (laso
abierto y laso cerrado).
II
3.0
3
Análisis de sistemas de orden superior.
II
3.0
4
Regulación de velocidad y análisis del error
en un sistema tipo-0 y tipo-1.
III y IV
3.0
5
Análisis de las acciones básicas de control
(P, I, D, PI, PID).
IV
3.0
6
Sintonización de controladores PID.
IV
3.0
7
Obtención de la respuesta a la frecuencia
mediante pruebas.
V
3.0
8
Respuesta a la frecuencia de sistemas de
primer orden en laso abierto y en laso
cerrado.
V
3.0
9
Respuesta a la frecuencia de sistemas de
segundo orden en laso abierto y en laso
cerrado.
V
3.0
LUGAR DE
REALIZACIÓN
Todas las
prácticas se
realizarán en el
laboratorio de
Teoría de Control
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ASIGNATURA:
Teoría de Control I
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
2
X
3
X
4
X
5
C
BIBLIOGRAFÍA
X
Howard L. Harrison y John G. Bollinger. Controles Automáticos;
Editorial, Trillas; México, 785 pags.
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, 965 pags.
J.J. D’azzo, C.H. Houpins, Feedback Control System Analysis
and Synthesis, Ed. Mc Graw Hill, 1966, Second Editión; Japón,
824 pags.
X
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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:
D. INGENIERÍA
Control y Automatización
ESPECIALIDAD Y NIVEL
ACADÉMICO REQUERIDO:
SEMESTRE
Quinto
C. SOC. y HUM.
ASIGNATURA:
Teoría de Control I
Ingeniero en Control, Ingeniero Electricista, Ingeniero en
Comunicaciones y Electrónica. Preferentemente con
posgrado en área afín con la carrera.
2. OBJETIVOS DE LA ASIGNATURA:
El alumno aplicará los conceptos básicos del control de sistemas lineales para examinar la respuesta
dinámica de un sistema tal que pueda evaluar el desempeño de sistemas de control tanto en tiempo
continuo como en la frecuencia.
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.
• Análisis de error
• Criterios de
estabilidad
EXPERIENCIA
PROFESIONAL
• En la selección,
aplicación, operación y
diseño de sistemas de
control aplicados a las
industrias: petroquímica,
alimenticia,
manufacturera y
química.
HABILIDADES
• Comunicación
• Establecimiento
de climas
favorables al
aprendizaje.
• Transferencia del
conocimiento
teórico a la
solución de
problemas.
• Análisis y
síntesis.
• Manejo de
grupos.
• Realizar
analogías y
comparaciones
en forma simple.
ACTITUDES
• Respeto
• Compromiso con la
sociedad.
• Ética
• Responsabilidad
• Científica
• Colaboración
• Superación docente y
profesional.
• Cooperativa
• Liderazgo.
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