Diapositiva 1 - Ingeniería de Sistemas y Automática

Grado en Ingeniería Electrónica Industrial
Experiencia docente en la
impartición de un curso
de modelado y control de sistemas
continuos usando herramientas
interactivas
Universidad
de Almería
Área de Ingeniería de Sistemas y Automática
Departamento de Informática
2
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Asignatura “Modelado y control de sistemas continuos”
Bibliografía y herramientas interactivas
Metodología docente y curso virtual de apoyo
Programa de ejercicios
Programa de prácticas
Evaluación
Encuesta de la asignatura
Resultados de la asignatura
Conclusiones
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Departamento de Informática
3
Mecánica
Química
industrial
Electrónica industrial
y Automática
Automatización industrial (2º curso)
Modelado y control de sistemas continuos (3º)
Control por computador (3º)
Informática industrial (3º)
Técnicas de control industrial (4º)
Robótica (4º)
Universidad
de Almería
Control e
instrumentación de
procesos químicos (4º)
Área de Ingeniería de Sistemas y Automática
Departamento de Lenguajes y Computación
4
1.- Entender el concepto de sistema dinámico, siendo capaz de modelar y
simular su comportamiento.
2.- Adquirir la capacidad de análisis de la respuesta temporal y frecuencial de
un sistema dinámico, tanto en términos de estabilidad como en términos de
rendimiento.
3.- Adquirir las capacidades de análisis de sistemas realimentados y de diseño
de controladores.
Se utilizarán herramientas matemáticas conocidas por el alumno:
- Variable compleja
- Ecuaciones diferenciales lineales ordinarias
- Transformada de Laplace
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Departamento de Informática
5
Bloque 1. Análisis de sistemas dinámicos en lazo abierto
Tema 1. Fundamentos de los sistemas dinámicos
Tema 2. Representación de sistemas
Tema 3. Modelado y simulación
Tema 4. Sistemas dinámicos lineales en tiempo continuo
Práctica 1. Modelado y simulación de sistemas físicos. Motor de corriente continua.
Práctica 2. Identificación experimental de modelos en el tiempo y en la frecuencia.
Bloque 2. Diseño de sistemas de control en lazo cerrado
Tema 5. Análisis de sistemas realimentados
Tema 6. Diseño de controladores
Práctica 3. Análisis de errores en estado estacionario y estabilidad con realimentación
unitaria
Práctica 4. Control del motor de corriente continua
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Departamento de Informática
6
Objetivo del libro
Explicar
de
forma
interactiva
conceptos
básicos de un curso de
introducción al control
automático y facilitar al
recién
llegado
su
aprendizaje
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de Almería
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Departamento de Informática
7
Uso en sesiones de teoría, en prácticas y para el trabajo autónomo de los estudiantes
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Departamento de Informática
8
PÁGINA WEB: http://www.pearson.es/fichas_interactivas
Premio PRODEL al mejor trabajo del grupo de Educación en Automática en las
Jornadas de Automática 2012
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9
Bibliografía complementaria
• K. J. Åstrom, R. M. Murray. Feedback systems: an introduction for scientists and
engineers. Princeton University Press, 2008. ISBN: 978-84-481-6640-3.
• K. J. Åstrom, T. Hägglund. Control PID avanzado. Pearson-Prentice Hall 2009. ISBN:
978-84-8322-511-0.
• P. Bolzern, R. Scattolini, N. Schiavoni. Fundamentos de control automático, 3ª
Edición, McGraw-Hill, 2009. ISBN: 978-84-481-6640-3.
• R. C. Dorf, R. H. Bishop. Sistemas de control moderno, 10ª Edición, Prentice Hall,
2005. ISBN: 84-205-4401-9.
• G. F. Franklin, J. D. Powell, A. Emami-Naeini. Feedback control of dynamic systems,
6ª Edición, Prentice Hall, 2010. ISBN: 978-0-13-500150-9.
• B. C. Kuo, Sistemas control automático , 7ª Edición, Prentice Hall, 1996. ISBN: 968880-723-0.
• K. Ogata. Ingeniería de control moderna, 5º Edición, Pearson Educación S.A., 2010.
ISBN: 978-84-8322-660-5.
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Departamento de Informática
10
• Sesiones de teoría para todo el grupo de alumnos en las que
el profesor explicará los contenidos teóricos fundamentales
de cada tema y donde se valorará la participación del
alumnado. Además durante el transcurso de cada bloque
hay un conjunto de ejercicios que permiten al alumno/a
mejorar la destreza en el uso de los conceptos.
• La parte práctica se organiza en sesiones para cada grupo de
alumnos, desarrolladas en paralelo a la parte teórica y con
una adecuada sincronización, de forma que el alumnado
pueda poner en práctica los conocimientos teóricos
adquiridos y donde se pretenderá un comportamiento lo
más autónomo posible.
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de Almería
Área de Ingeniería de Sistemas y Automática
Departamento de Informática
11
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de Almería
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Departamento de Informática
12
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Departamento de Informática
13
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Departamento de Informática
14
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Departamento de Informática
15
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Departamento de Informática
16
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17
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18
Bloque I . Lazo abierto.
- 34 ejercicios a realizar haciendo uso de herramientas interactivas
Bloque II . Lazo cerrado.
- 8 ejercicios a realizar haciendo uso de herramientas interactivas
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19
Práctica 1. Modelado y simulación de sistemas físicos. Motor de
corriente continua.
Contexto
Contenidos
Temporización
Universidad
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Obtención de modelos dinámicos
1. Modelado de sistemas continuos: ecuaciones diferenciales, funciones de
transferencia, representación en el espacio de estados.
2. Linealización de sistemas no lineales. Elementos no lineales.
3. Simulación de ecuaciones diferenciales con Simulink.
4. Simulación usando funciones de transferencia con Simulink. Diagramas de bloques.
5. Modelado y simulación de un circuito eléctrico.
6. Modelado y simulación de un sistema mecánico.
7. Modelado y simulación de un sistema hidráulico.
8. Modelado y simulación de un sistema térmico.
9. Obtención de la función de transferencia del motor de corriente continua con
salida en velocidad angular.
10. Obtención de la función de transferencia del motor de corriente continua con
salida en posición angular. Simulación con Simulink.
11. Modelo del motor de corriente continua en espacio de estados.
10 horas – 5 sesiones
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20
Práctica 1. Modelado y simulación de sistemas físicos. Motor de
corriente continua.
Contexto
Temporización
Universidad
de Almería
Obtención de modelos dinámicos
10 horas – 5 sesiones
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Departamento de Informática
21
Práctica 1. Modelado y simulación de sistemas físicos. Motor de
corriente continua.
Contexto
Temporización
Universidad
de Almería
Obtención de modelos dinámicos
10 horas – 5 sesiones
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Departamento de Informática
22
Práctica 1. Modelado y simulación de sistemas físicos. Motor de
corriente continua.
Contexto
Temporización
Universidad
de Almería
Obtención de modelos dinámicos
10 horas – 5 sesiones
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23
Práctica 1. Modelado y simulación de sistemas físicos. Motor de
corriente continua.
Contexto
Obtención de modelos dinámicos
Cuarto
piso
Temporización
Universidad
de Almería
10 horas – 5 sesiones
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Departamento de Informática
24
Práctica 2. Identificación experimental de modelos en el dominio
del tiempo y el dominio de la frecuencia
Contexto
Contenidos
Obtención de modelos dinámicos a partir de datos
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Temporización
Universidad
de Almería
Obtención de modelos usando el método de la curva de reacción en torno a
distintos puntos de operación.
Modelo a partir de datos experimentales del motor de corriente continua:
velocidad angular (como sistema de 1er orden y como sistema de 2º orden).
Modelo a partir de datos experimentales del motor de corriente continua:
posición angular.
Modelo nominal.
Comparación de la respuesta del modelo obtenido a partir de datos
experimentales con el modelo teórico en simulación.
Obtención experimental del diagrama de Bode del motor de corriente continua
usando la respuesta en frecuencia (entradas senoidales en régimen permanente).
Diagrama de Nyquist del motor de corriente continua tomando como salida la
velocidad angular.
Comparación con los modelos obtenidos previamente en la práctica 1 y 2.
6 horas – 3 sesiones
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25
Práctica 2. Identificación experimental de modelos en el dominio
del tiempo y el dominio de la frecuencia
4
entrada y velocidad angular (V)
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
2
4
6
8
10
12
tiempo (s)
14
16
18
20
magnitud G [dB]
5
0
-5
-10
-15
-2
10
-1
0
10
10
1
10
frecuencia [rad/s]
desfase G [º]
0
-50
-100
-150
-200
-2
10
-1
0
10
10
1
10
frecuencia [rad/s]
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26
Práctica 2. Identificación experimental de modelos en el dominio
del tiempo y el dominio de la frecuencia
Temporización
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de Almería
6 horas – 3 sesiones
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Departamento de Informática
27
Práctica 3. Análisis de errores en estado estacionario y
estabilidad con realimentación unitaria
Contexto
Contenidos
Temporización
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de Almería
Análisis de sistemas realimentados
Suponiendo realimentación unitaria y un controlador proporcional:
1. Análisis de errores en régimen estacionario a entrada en escalón, rampa y
parábola del motor de CC (velocidad y posición angular). Comparación con
herramienta interactiva.
2. Análisis en el lugar de las raíces usando la herramienta interactiva asociada y
los modelos del motor en velocidad y posición angular .
3. Análisis de la respuesta temporal del motor real en lazo cerrado en función de
los valores de la constante proporcional del controlador y comparación con la
ubicación teórica de las raíces del lazo cerrado en el lugar de las raíces. Relación
con las especificaciones de rendimiento.
4. Análisis de estabilidad en lazo cerrado del motor CC (velocidad y posición)
usando la herramienta interactiva asociada al criterio de estabilidad de Nyquist.
5. Usando la herramienta interactiva asociada a los márgenes de estabilidad
relativos, analizar la estabilidad relativa en lazo cerrado del motor de corriente
continua controlado tanto en velocidad como en posición angular.
6 horas – 3 sesiones
Área de Ingeniería de Sistemas y Automática
Departamento de Informática
28
Salida
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
1
2
3
4
tiempo (s)
5
6
7
u (verde), u1 (rojo), u2 (celeste), u3 (magenta), u4 (naranja) (V)
r (azul), y (verde), y1 (rojo), y2 (celeste), y3 (magenta), y4 (naranja) (V)
Práctica 3. Análisis de errores en estado estacionario y
estabilidad con realimentación unitaria
Velocidad angular
Señal de control
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
1
2
3
4
tiempo (s)
5
6
7
Universidad
de Almería
Salida
2
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
1
2
3
4
5
6
tiempo (s)
7
8
9
10
u (verde), u1 (rojo), u2 (celeste), u3 (magenta), u4 (naranja) (V)
r (azul), y (verde), y1 (rojo), y2 (celeste), y3 (magenta), y4 (naranja) (V)
Posición angular
Señal de control
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
1
2
3
4
5
6
tiempo (s)
7
8
9
10
Área de Ingeniería de Sistemas y Automática
Departamento de Informática
29
Práctica 3. Análisis de errores en estado estacionario y
estabilidad con realimentación unitaria
Universidad
de Almería
Área de Ingeniería de Sistemas y Automática
Departamento de Informática
30
Práctica 3. Análisis de errores en estado estacionario y
estabilidad con realimentación unitaria
Universidad
de Almería
Área de Ingeniería de Sistemas y Automática
Departamento de Informática
31
Práctica 3. Análisis de errores en estado estacionario y
estabilidad con realimentación unitaria
Universidad
de Almería
Área de Ingeniería de Sistemas y Automática
Departamento de Informática
32
Práctica 4. Control del motor de corriente continua
Contexto
Contenidos
Diseño de sistemas de control
1.
2.
3.
4.
Temporización
Universidad
de Almería
Control de la velocidad angular del motor de corriente continua haciendo uso
del método de cancelación de polos. Comparación con los resultados que se
obtienen en simulación usando la herramienta interactiva asociada a ese
método.
Control de la velocidad angular del motor de corriente continua haciendo uso
del método de asignación de polos. Comparación con los resultados que se
obtienen en simulación usando la herramienta interactiva asociada a ese
método.
Control de la posición angular del motor de corriente continua haciendo uso del
método de asignación de polos.
Diseño de controladores de avance y retraso de fase diseñados mediante
métodos frecuenciales y basados en el lugar de las raíces. Comparación con los
resultados que se obtienen en simulación usando las herramientas interactivas
asociadas a esos métodos.
8 horas – 4 sesiones
Área de Ingeniería de Sistemas y Automática
Departamento de Informática
33
Práctica 4. Control del motor de corriente continua
SIMULACIÓN
IMPLEMENTACIÓN
DISEÑO ANALÍTICO
VALIDACIÓN CON HERRAMIENTAS INTERACTIVAS
Universidad
de Almería
Área de Ingeniería de Sistemas y Automática
Departamento de Informática
34
2
1.5
1
0.5
0
0
Universidad
de Almería
5
10
tiempo (s)
15
u (verde), u1 (rojo), u2 (celeste), u3 (magenta), u4 (naranja) (V)
Salida
2.5
u (verde), u1 (rojo), u2 (celeste), u3 (magenta), u4 (naranja) (V)
r (azul), y (verde), y1 (rojo), y2 (celeste), y3 (magenta), y4 (naranja) (V)
r (azul), y (verde), y1 (rojo), y2 (celeste), y3 (magenta), y4 (naranja) (V)
Práctica 4. Control del motor de corriente continua
Señal de control
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
5
10
tiempo (s)
15
Salida
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
1
2
3
4
5
6
tiempo (s)
7
8
9
10
Señal de control
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
1
2
3
4
5
6
tiempo (s)
7
8
9
10
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Departamento de Informática
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Forma de evaluacion
Evaluación continua
Instrumentos de evaluación
•
Relaciones de ejercicios a entregar (obligatorias e individual)
•
Informes de las prácticas (obligatorios por grupos de dos alumnos)
•
Estudios previos de las prácticas (obligatorios por grupos de dos alumnos)
•
Examen de la asignatura (obligatorio e individual)
•
Participación activa del alumno en otras actividades como foros de discusión,
asistencia a clases, visitas técnicas y envío de ejercicios en los plazos
predeterminados
Calificación=0.15*Problemas(C2.1)+0.2*Prácticas(C3)+0.6*Examen(C2.2)+0.05*Participación (C1)
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Departamento de Informática
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Competencias genéricas a evaluar
La Universidad de Almería estableció 10 competencias transversales
1. Habilidad en el uso de las TIC (nivel 2 y 3)
2. Capacidad para resolver problemas (nivel 3)
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Comunicación oral y escrita en la propia lengua
Capacidad de crítica y autocrítica
Trabajo en equipo
Conocimiento de una segunda lengua
Compromiso ético
Capacidad para aprender a trabajar de forma autónoma
Competencia social y ciudadanía global
Competencia informacional
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Departamento de Informática
37
Competencia genérica a evaluar
Capacidad para resolver problemas (nivel 3)
•
•
•
•
Comprender el problema que se plantea
Identificar los objetivos de aprendizaje
Dominar la metodología o procedimiento con el que abordar cada problema
planteado
Resolver el problema
Competencia genérica a evaluar
Habilidad en el uso de las TIC (niveles 2 y 3)
• Manejar Sistemas operativos y aplicaciones informáticas, en concreto, utilizando
diferentes programas de utilidades de análisis y diseño de sistemas de control
(Matlab/Simulink, Sysquake, …).
• Manejar paquetes ofimáticos
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de Almería
Área de Ingeniería de Sistemas y Automática
Departamento de Informática
38
Universidad
de Almería
Área de Ingeniería de Sistemas y Automática
Departamento de Informática
39
Universidad
de Almería
Área de Ingeniería de Sistemas y Automática
Departamento de Informática
40
1; 4%
1; 4%
Matrículas
8; 35%
5; 22%
Sobresalientes
Notables
Aprobados
Suspensos
1; 4%
No presentados
7; 31%
Universidad
de Almería
Área de Ingeniería de Sistemas y Automática
Departamento de Informática
41
12
10
8
B1
6
B2
4
2
0
1
2
Universidad
de Almería
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Área de Ingeniería de Sistemas y Automática
Departamento de Informática
42
12
10
8
P1
P2
6
P3
P4
4
2
0
1
2
Universidad
de Almería
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Área de Ingeniería de Sistemas y Automática
Departamento de Informática
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Las herramientas interactivas han demostrado ser valiosas en distintos ámbitos:
• Teoría:
• Ayudan al profesor a explicar visualmente conceptos que a veces son complejos
desde el punto de vista matemático.
• Ayudan a los alumnos a practicar en casa y visualizar lo que estudian.
• Ejercicios: Permiten realizar ejercicios interaccionando con el sistema objeto de
estudio. Nuestra experiencia demuestra que son muy útiles los ejercicios donde el
alumno debe realizar una combinación de cálculos propios y uso de la herramienta. El
peligro de los ejercicios donde sólo se usa la herramienta es que puede haber alumnos
que lo resuelvan por prueba y error sin comprender bien la teoría subyacente.
• Prácticas: Las herramientas interactivas son muy útiles como herramientas de diseño y
de comprobación de los cálculos hechos por los alumnos.
• Retos: Aspectos relacionados con el balanceo de la carga de trabajo (mala estimación
del tiempo requerido para el desarrollo de prácticas y ejercicios) y con la corrección
automática de ejercicios. Necesarias más sesiones presenciales.
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