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