Control Avanzado

1. DATOS DE LA ASIGNATURA
Nombre de la asignatura Control Avanzado
Carrera Ingeniería Mecatrónica
Clave de la asignatura PIF - 1305
(Créditos) SATCA 3 – 2 – 5
2. PRESENTACIÓN
Caracterización de la asignatura.
Esta asignatura aporta al perfil del ingeniero mecatrónico, los conceptos teóricosprácticos, así como las herramientas para el control avanzado de diversos
procesos, la aplicación para diversas estrategias de control automático que
trasciende las que usualmente se aplican a sistemas de control.
El control avanzado constituye un fundamento básico en la formación y desarrollo
del ingeniero mecatrónico. Es necesario que tenga conocimientos de aspectos
específicos en el control como lo son: la generación de trayectorias, movimientos
de control en el control lineal y no lineal de manipuladores, así como también las
técnicas avanzadas en el control de manipuladores., que son aspectos relevantes
en el campo profesional de la ingeniería mecátronica.
En esta asignatura el alumno conoce como generar trayectorias, programación de
movimientos con los controles lineal y no lineal, llevando estos conocimientos de
alcances y limitaciones a las técnicas de control avanzado de los manipuladores;
que hoy en día la industria en su automatización es aplicada en sus procesos
productivos de competitividad nacional e internacional.
Esta asignatura es de tipo terminal y está vinculada con las materias de
especialidad que están diseñadas para dar un alto grado en su desempeño
profesional, aunado a la posibilidad de extensión de los estudios de posgrado y
del doctorado.
Intención Didáctica
En la unidad uno nos enfocaremos en los métodos para calcular una trayectoria
que describa el movimiento deseado de un manipulador en espacio
multidimensional. La trayectoria referida a un historial en el tiempo real de la
posición, la velocidad y la aceleración para cada grado de movilidad. Se
representan las trayectorias con uso de computadoras una vez diseñadas. Las
trayectorias a partir de la representación interna (o generar la trayectoria). Se
ejecutará la generación a través de su propio tiempo. Se calculará la posición
velocidad y la aceleración. Las trayectorias se determinan en PC’s por los que los
puntos de trayectoria se calculan con lo que se le llama frecuencia de
actualización de ruta.
En segunda unidad, se verán los sistemas de control programable (PMCS)
empleados en los sistemas mecánicos que implican movimiento controlado por
PC. La aplicación de movimientos de control programable a un manipulador
robótico a una máquina de ensamble, a una máquina de CNC, a una mesa X Y Z
y a los sistemas de control de equipos de construcción. Los sistemas de control
aquí descritos son sistemas mecatrónicos que implican un sistema de movimiento
mecánico, varios actuadores y sensores, y control por computadora.
El capítulo de tres calculan los historiales de tiempo de la posición de las
articulaciones que correspondan a los movimientos de efecto final a través del
espacio. Se planteará la forma de que el manipulador realice los movimientos
diseñados. El método de control aplicado será el sistema de control lineal el cual
es válido en los sistemas que pueden modelarse matemáticamente mediante
ecuaciones diferenciales lineales. Se conoce el control de manipuladores
analizándose con métodos aproximados a través de una representación de una
ecuación diferencial no lineal. La importancia de estos métodos de
aproximaciones, ya que son los que se utilizan con frecuencia en la práctica
industrial actual.
En el capítulo cuatro, se aprende el método de momento de torsión calculado y
también un método de análisis de estabilidad de sistemas no lineales, que es el
método de Laypunov. Estudian sistemas no lineales para controlar un
manipulador, de un sistema de fricción tipo masa-resorte simple con un solo
grado de libertad.
El quinto capítulo, utiliza modelos para determinar leyes o estrategias de control
para conseguir la respuesta y funcionamiento del sistema, logrando con ello un
control de movimiento fino en el cual el efector final de brazo interacciona
dinámicamente con el objeto de utilizar l información de la realimentación
sensorial para completar el objetivo de control, como resultado de ello los
manipuladores controlados de esta forma se mueven a velocidades lentas con
vibraciones innecesarias, las mejoras son significativas en el funcionamiento de
las tareas de control del robot, donde se requieren modelos dinámicos eficientes,
técnicas de control sofisticadas y el uso de arquitecturas de computadora, se
analiza el control de robot como seguimiento de trayectoria en el control de
movimiento, analizando tres categorías, control de movimiento de la articulación,
control con movimiento resuelto (control en el espacio cartesiano) y control
adaptativo.
3. COMPETENCIAS A DESARROLLAR
Competencias específicas:
Competencias genéricas:
Diseñará, construirá, operará y
mantendrá sistemas de automatización
y robotización en líneas de producción,
utilizando las estrategias del control
avanzado.
Competencias instrumentales
 Solución de problemas
 Pensamiento crítico
 Formulación de preguntas
 Investigación relevante y
actualizada
 Aplicación eficiente de la
información
 Presentación del modelado del
control
 Exposición profesional de
proyectos
Competencias interpersonales
 Moderador de ideas
 Trabajo en equipo
 Capacidad de comunicación
interdisciplinaria
 Capacidad autocrítica y critica

Competencias sistémicas
 Capacidad de aplicar los
conocimientos en la vida
profesional
 Capacidad de aprender
 Capacidad de cambio
 Capacidad de innovar
 Trabajo individual
 Iniciativa y espíritu emprendedor
 Búsqueda y alcance de metas
4. HISTORIA DEL PROGRAMA
Lugar y fecha de
elaboración o revisión
Tlalnepantla de Baz,
Estado de México, de 11
al 15 de junio 2013.
Participantes
Evento
Dr. Luis Mauro Ortega
González
Ing. Jaime Castellanos
Ing. Francisco Rivera
Vázquez
Ing. Roberto A. Lozano
González
Ing. Atanacio Cruz Rojas
Ing. Rafael López
Rodríguez
Ing. Sergio Armando Torti
Sosa
Elaboración del programa
de
estudio
de
la
especialidad de la carrera
de
Ingeniería
Mecatrónica.
5. OBJETIVO GENERAL DEL CURSO
Diseñará, construirá, operará y mantendrá sistemas de automatización y
robotización en líneas de producción, utilizando las estrategias del control
avanzado.
6. COMPETENCIAS PREVIAS
 Conocimiento y aplicación de transformadas de Laplace y análisis de
variables de estado
 Conoce los conceptos de la dinámica de los sistemas
 Aplica los conceptos de circuitos eléctricos
 Aplica adecuadamente los sistemas de control de los equipos eléctricos y
electrónicos
 Aplica adecuadamente los principios del análisis de los circuitos eléctricos
 Conoce los principios de funcionamiento de los PLC’s
 Conoce los parámetros operativos de las máquina eléctricas
7. TEMARIO
Unidad
1
2
3
4
Temas
Subtemas
1.1 Introducción
Generación de trayectorias 1.2 Consideraciones generales sobre la
descripción y generación de trayectorias
1.3 Esquemas en el espacio de articulación
1.4 Esquemas en el espacio cartesiano
1.5 Problemas geométricos con las rutas
cartesianas
1.6 Generación de rutas en tiempos de
ejecución
1.7 Descripción de rutas con un lenguaje de
programación de robot
1.8 Planeación de rutas cuando se usa el
modelo dinámico
1.9 Planeación de rutas sin colisiones
2.1 Introducción
Sistemas de control de
2.2 Metodología de diseño para sistemas
movimiento programable
de
control de movimiento programable
2.3 Hardware y software del controlador de
movimiento
2.4 Movimientos básicos en un eje.
2.5 Métodos de control de movimiento
coordinado
2.6 Aplicaciones de movimiento coordinado
3.1 Introducción
Control lineal de los
3.2 Particionamiento de las leyes de
manipuladores
control
3.3 Control de seguimiento de trayectorias
3.4 Rechazo de perturbaciones
3.5 Comparación entre el control de tiempo
continuo y discreto
3.6 Modelado y control de una sola
articulación
3.7 Arquitectura de un controlador de robot
Industrial
4.1 Introducción
Control no lineal de los
4.2 Sistemas no lineales y variantes en el
manipuladores
tiempo
4.3 Sistemas de control multientradas,
multisalidas (MIMO)
4.4. El problema del control para los
manipuladores
4.5 Consideraciones prácticas
4.6 Sistemas actuales de control de robots
industriales
4.7 Análisis de estabilidad de Lyapunov
4.8 Sistemas de control de base cartesiana
5
Técnicas de control
avanzado de
manipuladores
5.1 Introducción
5.2 Control del brazo del control PUMA
5.3 Técnica del par calculado
5.4 Control subóptimo de tiempo mínimo
5.5 Control de estructura variable
5.6 Control por realimentación
desacoplado no
lineal
5.7 Control de movimiento resuelto
5.8 Control adaptativo
8. SUGERENCIAS DIDÁCTICAS
El profesor debe ser conocedor de la disciplina del control avanzado, la cual
está bajo su responsabilidad, conocer su origen y desarrollo histórico para
considerar este conocimiento al abordar los temas. Desarrollar la capacidad para
coordinar y trabajar en equipo; orientar el trabajo del estudiante y potenciar en él
la autonomía, el trabajo cooperativo y la toma de decisiones. Mostrar flexibilidad en
el seguimiento del proceso formativo y propiciar la interacción entre los
estudiantes. Tomar en cuenta el conocimiento de los estudiantes como punto
de partida para la construcción de
nuevos conocimientos.



Propiciar actividades de metacognición. Ante la ejecución de una actividad,
señalar o identificar el tipo de proceso intelectual que se realizó: una
identificación de patrones, un análisis, una síntesis, la creación de un
heurístico, etc. Al principio lo hará el profesor, luego será el alumno quien lo
identifique. Ejemplos: reconocer el orden de un sistema físico dado la función
de transferencia del mismo: reconocimiento de patrones; elaboración de un
principio a partir de una serie de observaciones producto de un experimento:
síntesis.
Propiciar actividades de búsqueda, selección y análisis de información en
distintas fuentes. Ejemplo: buscar y
contrastar comportamientos como
aquellos de segundo orden, identificando puntos de coincidencia y diferencia
entre ellos en cada situación concreta.
Fomentar actividades grupales que propicien la comunicación, el
intercambio argumentado de ideas, la reflexión, la integración y la
colaboración de y entre los estudiantes. Ejemplo: al socializar los
resultados de las investigaciones hechas a partir de software de
simulación (Matlab) y las experiencias prácticas solicitadas como trabajo
extra clase.
 Observar y analizar fenómenos y problemáticas propias del campo
ocupacional.
 Relacionar los contenidos de esta asignatura con las demás del plan
de estudios a las que ésta da soporte para desarrollar una visión
interdisciplinariaen el estudiante. Ejemplos: señalar que el control continuo
basado en Laplace estudiado en esta clase puede ser extendido a un
control discreto basado en transformada Z con conceptos similares, y que
ambos son necesarios para controlar el movimiento de robots, los cuales
son necesarios para implementar manufactura integrada por computadora.
 Propiciar el desarrollo de capacidades intelectuales relacionadas con
la lectura, la escritura y la expresión oral. Ejemplos: trabajar las
actividades prácticas a través de guías escritas, redactar reportes e
informes de las actividades de experimentación, exponer al grupo las
conclusiones obtenidas durante las observaciones.
 Facilitar el contacto directo con materiales e instrumentos, al llevar a cabo
actividades prácticas, para contribuir a la formación de las competencias para
el trabajo experimental como: identificación manejo y control de variables y
datos relevantes, planteamiento de hipótesis, trabajo en equipo.
 Propiciar el desarrollo de actividades intelectuales de inducción-deducción
y análisis-síntesis, que encaminen hacia la investigación.
 Desarrollar actividades de aprendizaje que propicien la aplicación de
los conceptos, modelos y metodologías que se van aprendiendo en el
desarrollo de la asignatura.
 Proponer problemas que permitan al estudiante la integración de
contenidos de la asignatura y entre distintas asignaturas, para su análisis y
solución.
 Relacionar los contenidos de la asignatura con el cuidado del medio ambiente.
 Cuando los temas lo requieran, utilizar medios audiovisuales para una mejor
comprensión del estudiante.
 Propiciar el uso de las nuevas tecnologías en el desarrollo de la asignatura
(Matlab, LabView, Mathematica, Simmon, CircuitMaker, Internet, etc.).
9. SUGERENCIAS DE EVALUACIÓN
La evaluación debe ser continua y formativa por lo que se debe considerar el
desempeño en cada una de las actividades de aprendizaje, haciendo especial
énfasis en:







Ejercicios y problemas en clase
Exposición de temas por parte de los alumnos con apoyo y asesoría
del profesor
Evaluación trabajos de investigación entregados en forma escrita
Evaluación por unidad para comprobar el manejo de aspectos
teóricos y declarativos
Evaluación de las prácticas por unidad, considerando los temas que
ésta contiene
Evaluación de las aplicaciones del contenido de la materia
Considerar reporte de un proyecto final que describa las
actividades realizadas y las conclusiones del mismo
10. UNIDADES DE APRENDIZAJE
Unidad 1: Generación de trayectorias
Competencias específicas a desarrollar
Implementar un programa en lenguaje c
para generar una trayectoria de trabajo
bien definida por el robot manipulador
Actividades de Aprendizaje
1.- interpretar los conceptos teóricos del
movimiento en le espacio de un robot,
para definir una trayectoria especifica
de alguna tarea en particular
2.- aplicar la metodología de
generación de rutas para evadir
obstáculos, utilizando las coordenadas
definidas dentro del espacio de trabajo
del robot
Unidad 2: sistemas de control de movimiento programable
Competencias específicas a desarrollar
Construir el prototipo de una
articulación de robot , diseñando e
implementando la unidad de control e
interface electrónica adecuada para la
regulación de su movimiento a través
de un actuador eléctrico ( Motor) o
servo actuador
Actividades de Aprendizaje
1.- probar el funcionamiento correcto de
la unidad de control electrónico
2.- probar el funcionamiento correcto de
la interface electrónica conectada al
actuador
3.- ensamblar la unidad de control, la
interface de potencia, y el actuado con
la articulación del robot
Unidad 3: control lineal de los manipuladores
Competencias específicas a desarrollar
Probar experimentalmente la diferencia
entre utilizar un controlador analógico y
uno digital, en la regulación de la
articulación del robot
Actividades de Aprendizaje
1.- desarrollar un programa en Matlab
para realizar el estudio de la estabilidad
del modelo dinámico del robot que se
desea controlar
2.- realizar un estudio para seleccionar
los algoritmos mas eficientes utilizados
en el control de robot
Unidad 4: control no lineal de los manipuladores
Competencias específicas a desarrollar
Desarrollar un algoritmo de control no
lineal y compáralo con uno de tipo
lineal
Actividades de Aprendizaje
1.- en base la comparación del control
lineal y no lineal, defina cual de los dos
es más eficiente
2.- investigar que algoritmos de control
no lineal se utilizan hoy en día en la
industria de la robótica
Unidad 5 técnicas de control avanzado
Competencias específicas a desarrollar
Actividades de Aprendizaje
Implementar un prototipo de robot
industrial , con al menos tres grados de
libertad
1.- desarrollar un programa en lenguaje
C para el control del prototipo de robot,
en base a la estrategia y algoritmo de
control seleccionado
2.- comprobar el buen funcionamiento
del prototipo, sometiéndolo a
variaciones de velocidad en sus
actuadores y a variaciones en el
tamaño de la carga a manipular con su
elemento efector final (pinza o mano)
11. FUENTES DE INFORMACIÓN
Craig, John J. ROBÓTICA, Ed. Prentice Hall, 3ª. Edición, 2006
Centinikunt, Sabri; MECATRÓNICA, Ed. Patria, 1ª. Edición, 2007
Fu, K.S., González, R. C., Lee C.S.G., ROBÓTICA Control, Detección, Visión e
Inteligencia, Ed. McGraw Hill, 1994
12. PRÁCTICAS PROPUESTAS
1.- Generación de trayectorias en base rutas, tiempos y lenguajes
2.- Aplicación de software para un sistema de control de movimiento
programable
3.- Arquitectura de un control lineal para un robot industrial
4.- Consideraciones prácticas para un control No lineal
5. Aplicación de un control avanzado de manipuladores