Download - Class1 - Introduccion a La Idc - 2015
1• Presentación del contenido programático de la asignatura
2• Metodología, normas y reglas del curso
3• Evaluación y registro de notas
4• Introducción a la Ingeniería de Control (IdC)
AGENDA
En la actualidad los sistemas de control han asumido un papel importante en
el desarrollo y avance de la civilización moderna y la tecnología, con la
implicación que conlleva el desarrollo y la aplicación de los mismos en el
campo de la Ingeniería Eléctrica. Por tal motivo, imparte esta asignatura en
donde se ofrece al estudiante las herramientas y los conocimientos
básicos necesarios para formular, gestionar y evaluar proyectos de
ingeniería de control.
Alcanzar la comprensión y el dominio de los métodos y técnicas actuales
para modelar, analizar, planificar y desarrollar controladores, bajo criterios
de estabilidad y comportamiento, en sistemas lineales.
Incentivar el uso de diferentes herramientas de software, como mecanismo
de simulación de los diferentes sistemas dinámicos y sus controladores.
Servir como materia de apoyo, para el fortalecimiento de conceptos y
aplicaciones en las demás áreas relacionadas.
Complementar el desarrollo integral del estudiante mediante el desarrollo
de proyectos interdisciplinarios aplicados en la ingeniería.
Fomentar el uso de diferentes herramientas de software y hardware, para el
desarrollo de sistemas de control.
NUCLEO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL. (9 hs)
SUBNUCLEOS
Introducción.
Historia de la ingeniería de control.
Terminología y conceptos principales.
Concepto de precisión, exactitud, rapidez, estabilidad y robustez
Sistemas Variantes en el Tiempo vs sistemas invariantes en el tiempo.
Sistemas en tiempo continuo vs sistemas en tiempo discreto
Muestreo y retención en sistemas de control.
Sistemas en lazo abierto y sistemas en lazo cerrado.
Ejemplo de Sistemas de Control.
NUCLEO 2. TÉCNICAS DE RESPUESTA, ESTABILIDAD Y DISEÑO DE CONTROLADORES
EN EL DOMINIO DEL TIEMPO. (15 hs)
SUBNUCLEOS
Comportamiento en el dominio del tiempo de sistemas de primer y segundo orden.
Error de estado estacionario.
Sistemas Tipo 0, tipo 1 y tipo n. sistemas de orden n.
Respuesta forzada. Tiempo pico máximo, sobre pico máximo, tiempo de retardo tiempo de
levantamiento, tiempo de asentamiento.
Análisis, modelo, simulación y diseño de Controladores todo o nada, P, PI, PD, PID.
Reglas de Ziegler-Nichols para la sintonía de controladores PID.
Sensores y acondicionamiento de sistemas.
Diseño de controladores utilizando el lugar geométrico de las raíces.
Controladores por cancelación de polos.
Casos de estudio.
NUCLEO 3. TÉCNICAS DE RESPUESTA, ESTABILIDAD Y DISEÑO DE CONTROLADORES
EN EL DOMINIO DE LA FRECUENCIA. (15 hs)
SUBNUCLEOS
Comportamiento en el dominio de la frecuencia de sistemas de primero y segundo orden.
Estabilidad (criterio de Nyquist, diagrama de Bode, transformada Bilineal)
Margen de fase y Margen de Ganancia
Controladores de adelanto y atraso en el dominio de la frecuencia.
Casos de estudio.
NUCLEO 4. VARIABLES DE ESTADO (SISTEMAS EN TIEMPO CONTINUO Y EN TIEMPO
DISCRETO). (9 hs)
SUBNUCLEOS
Controlabilidad
Observabilidad
Transformaciones útiles en el análisis y diseño de espacios de estados.
Controladores mediante realimentación de estados.
Controladores mediante realimentación de estados con acción integral.
Primer corte (35%) Segundo corte (35%) Tercer corte (30%)
ActividadPorcentaje
(100%) ActividadPorcentaje
(100%) ActividadPorcentaje
(100%)
ejercicios, quiz,
trabajos
autónomo,
investigación,
tareas
5%
ejercicios, quiz,
trabajos
autónomo,
investigación,
tareas
5%
ejercicios, quiz,
trabajos
autónomo,
investigación,
tareas
5%
Talleres y
practicas de
laboratorios
10%
Talleres y
practicas de
laboratorios
10%
Talleres y
practicas de
laboratorios
10%
parcial 20% parcial 20% examen 15%
Ingeniería
Control
Ingeniería de control
El uso de la ciencia y la tecnología
para resolver los problemas que
enfrenta la sociedad o para
proporcionar productos que deseos de
la sociedad
Es la acción o el efecto de poder
decidir sobre el desarrollo de un
proceso o sistema. También se puede
entender como la forma de manipular
ciertas variables para conseguir que
ellas u otras variables actúen en la
forma deseada
La profesión en la que se aplica el conocimiento de las ciencias
matemáticas y naturales adquiridas mediante el estudio, la experiencia y la
práctica con el juicio para desarrollar formas de utilizar, económicamente, los
materiales y las fuerzas de la naturaleza para el beneficio de la humanidad.
“Accreditation Board for Engineering and Technology – ABET”
Las ciencias naturales (Básicas) se concentran en observar, analizar y explicar
los hechos, la ingeniería debe regular los hechos en dirección que se juzgue
útil.
Los científicos tratan de
entender cómo funciona
el mundo natural.
El resultado de su
trabajo es la expansión
del conocimiento.
Producto final menudo
publicación de un
trabajo de investigación
Ingenieros resolver
problemas; el resultado
de su trabajo es el
desarrollo y la producción
(o mejora) de un producto
o proceso
Fases en un fenómeno natural, área o actividad,
con cambios de estado según condiciones dadas.
Ejemplo: Procesos eléctricos, mecánicos,
manufactura, alimentos, energía, hidrocarburos,
transporte, comunicaciones, entre otros.
Proceso:
Fabrica de Manufactura
Planta:
Conjunto de equipos o elementos de
maquinas que actúan con el propósito de
realizar una operación especifica. Ejemplo:
Plantas eléctricas, de Gas, Químicas,
Hidroeléctricas, energía nuclear, de
fabricación, entre otros.
Planta de Hidrocarburos
Sistema:
Conjunto de elementos y reglas que organizados entre si,
contribuyen a generar un resultado. Poseen características propias que los
definen,
que pueden ser constantes (parámetros del sistema) y cambiantes en el
tiempo
(variables del sistema) las cuales permiten determinar su comportamiento.
SISTEMAEntrada Salida
Elementos y Reglas
Parámetros del
Sistema
Variables del Sistema
Control:
Es una estrategia que verifica lo que ocurre (realidad) con respecto a lo que debería ocurrir (objetivo) y de no
existir concordancia se toman acciones para corregir la diferencia.
CONTROLObjetivo
AcciónRealidad
Sistema de Control:
Son sistemas que permiten que los procesos se ejecuten bajo ciertas condiciones
corrigiendo desviaciones, a través de parámetros establecidos como referencia y
aplicando diversos métodos y acciones de regulación para garantizar las
condiciones deseadas.
Mide el Nivel
TanqueAbre Válvula
Salida de Fluido
Regula el Nivel
Acelerador
Velocidad
Real
Velocidad
Deseada
Medidor
VehículoConductor Acción
Control de Nivel en un Tanque Control de Velocidad en un Vehículo
Se considera a la ingeniería de control como la rama de la ingeniería que tiene
como propósito desarrollar métodos generales para la regulación de sistemas
o procesos de acuerdo a condiciones establecidas o requeridas.
Es un enfoque interdisciplinario para el control de sistemas, procesos y
dispositivos. Combina áreas como eléctrica, electrónica, mecánica, química,
ingeniería de procesos, teoría matemática entre otras.
Las primeras aplicaciones se remontan a los mecanismos reguladores con
flotador en Grecia.
Flotador con válvula
Flotador con
apuntador
El reloj de Ktesibius fue construido alrededor de
250 BC. Es considerado el primer sistema de
control automático de la historia.
Herón de Alejandría (100 d. C.) publicó un libro
denominado Pneumática en donde se describen
varios mecanismos de nivel de agua con
reguladores de flotador.
Medidor de tiempoLa Fuente mágica de Herón de
Alejandría
Europa Época Moderna
El primer control realimentado
Cornelis Drebbel Holandés (1572-1634) construyó cerca de 1618
una incubadora con una realimentación explícita para regular la
temperatura. Trabajo hecho en Inglaterra.
Sin embargo el trabajo más significativo de Drebbel fue el primer
submarino útil en 1620, donde también utilizó sistemas
realimentados.
Europa Época Moderna
Denis Papin Francés (1647-1712) en 1681,
inventó el primer regulador de presión para
calderas de vapor.
Regulador automático
Máquina generadora de vapor
Revolución Industrial (Origen de la ingeniería de Control)
Sin embargo el primer trabajo significativo en control
con realimentación automática
fue el regulador centrífugo de James Watt,
desarrollado en 1769 ( Fecha de Origen de la IdC)
Motor Carga
Engranes
Combustible
Cierra
Abre
Aceite a
presión
Válvula de control
Esquema de Regulador de velocidad moderno
Mientras que Rusia reclama como el primer
sistema de control, el regulador de nivel de
agua de flotador inventado por I. Polzunov
(1729-1766) en 1765.
Modelo a escala
del motor de
vapor de
Polzunov
…hasta finales del siglo XIX el control automático se caracterizó por ser
eminentemente intuitivo.
El deseo de mejorar las respuestas transitorias y la exactitud de los sistemas de control,
obligó a desarrollar la teoría de control:
J.C. Maxwell (1831-1879), consideró una teoría matemática relacionada con la teoría de
control usando el modelo de una ecuación diferencial 1868:
Sus Aportaciones:
• Concepto de estabilidad
• Modelos matemáticos simples
• Importancia de la acción integral
• Linealización
• Estabilidad como problema algebraico
• Criterios de estabilidad para sistemas
de primero, segundo y tercer orden.
I.A. Vyshnegradskii formuló (1876), una teoría matemática de los reguladores de manera
independiente a Maxwell, con posible influencia europea. Sus Aportaciones:
• Concepto de estabilidad
• Análisis matemáticos más sofisticados
que Maxwell.
• Diagramas de estabilidad.
• Linealización
• Distinción de configuraciones de polos.
Otras aportaciones relevantes:
Alexander M. Lyapunov (1857-1918)
•Conceptos de estabilidad
•Primer (lineal)
•Y Segundo método de Lyapunov (encontrar estabilidad asintótica sin usar una solución
explícita).
Henry Ford en 1913
• Mecanizó el ensamblaje de automóviles.
Bode en 1927
• Analizó los primero amplificadores realimentados.
Minorsky en 1922
• Sistemas de dirección en barcos con realimentación. Ecuaciones diferenciales.
Hazen
• Servomecanismos, sistemas de posición, seguimiento de trayectorias.
Andronov
• Análisis de dinámicas no lineales. Bases del control moderno en Rusia.
Sistemas telefónicos: Un impulso significativo en sistemas de control.
Nyquist en 1932
•Método simple para determinar la estabilidad de lazo cerrado por mediode excitación seniodal permanete.
Bode en la década de 1940
•Método de respuesta en frecuencia más práctico que el de Nyquist.
Amplificadores electrónicos con retroalimentación en Bell Telephone
Black en la década de 1940
•Método de respuesta en frecuencia, realimentación de amplificadores.
Evans final década de 40 principio de 50
•Método del Lugar de las raíces
Los métodos de respuesta en frecuencia y lugar de las raíces son la base
del control clásico. Durante esas fechas los científico rusos se centraron en la
formulación del dominio del tiempo y ecuaciones diferenciales.
Durante la segunda guerra mundial se intensificó el desarrollo de
sistemas de control:
• Grandes desarrollos principalmente en R. Unido, E.U. y Alemania.
• Fortificación del control clásico en sistemas realimentados.
• Grandes avances prácticos principalmente en servomecanismos,
autopilotos y control de armas.
• Conocimiento ampliamente expandido después de la guerra.
Avances en la post-guerra:
• Rápida diseminación del nueva teoría de control.
• Mayor apertura Teoría Rusa y Occidental.
• Establecimiento de centros de investigación en control
• Mayor interés no bélico en los sistemas de control.
• Incremento en cursos de control en universidades.
• Debates público acerca del control y otras ciencias.
En la posguerra sigue el domino de los métodos de respuesta en frecuencia y el lugar de
las raíces.
Otro pequeño impulso: La computadora
Gracias a la disponibilidad de las computadoras digitales se hizo posible el
análisis de sistemas complejos en el dominio del tiempo; desde entonces
se ha desarrollado grandemente la teoría moderna de control.
IBM 701
La teoría moderna de control se basa en el análisis y
síntesis en el dominio del tiempo. Utilizando variables de estado y control
óptimo (70’s).
• Actualmente la tendencia de los sistemas de control es hacia la optimización y hacia la
digitalización total de los controladores.
• En artículos y literatura sobre control es posible observar la gran diversificación del control
moderno, como las técnicas de control lineal y no lineal, control óptimo, control robusto, control por
inteligencia artificial, control adaptable, control de estructura variable, control de eventos discretos,
entre otros.
• El avance es vertiginoso tanto en teoría como en la práctica del control.
Sistema. Es una combinación de componentes que actúan conjuntamente
para lograr cierto objetivo común. El concepto de sistema se puede aplicar a
fenómenos físicos, biológicos, económicos, sociales y otros.
Variable controlada (Salida). Es la cantidad o condición que se mide y controla.
Variable manipulada. Es la variable que se modifica con el fin de afectar la variable controlada.
Proceso. Sistema técnico o de cualquier otra área que tenga cambios de estado de acuerdo
con condiciones dadas.
Planta. Conjunto de piezas de una maquinaria que tienen por objetivo
realizar cierta actividad en conjunto. En sistemas de control, por planta se
entiende el sistema que se quiere controlar.
Valor de referencia. Señal que entrega al sistema de control el valor deseado de la variable
controlada o regulada.
Error. Señal que entrega al regulador la diferencia entre el valor real y el valor deseado de la
variable controlada.
Perturbaciones. Una perturbación es algún suceso que afecta Adversamente el desarrollo de
algún proceso. Si la perturbación se genera dentro del sistema, se le denomina perturbación
interna, caso contrario la Perturbación es externa.
Control realimentado. Es una operación que tiende a mantener una relación prescrita de una
variable de un sistema con otra, comparando estas funciones y usando sus diferencias como
medio de control.
Sistema de control realimentado. Es aquel sistema de control que utiliza alguna relación
entre la variable de salida y alguna variable de referencia, como medio de control.
Sistema de control de lazo abierto. Es un sistema de control en donde la salida no tiene
efecto sobre la acción de control. La salida puede ser o no ser medida, pero esa medición no
afecta al controlador.
Señal de regulación. Es la señal que manda el regulador sobre el dispositivo que ejecuta la
acción de control.
DIAGRAMAS DE PROCESO DE UN
SISTEMA DE CONTROL
Tanque de
Agua
Flotador
Proceso: Tanque
Sistema de Control de NIVEL
Variable controlada: Nivel de Agua
Variable manipulada: Flujo entrada
Variable referencia: Nivel de Agua Deseado
Variable de perturbación: Flujo Filtración
Medidor: Flotador
Actuador: Flotador
Controlador: Flotador
Proceso: Tanque
Variable controlada: Nivel de Agua
Variable manipulada: Flujo salida
Variable Referencia: Nivel de Agua Deseado
Variable de perturbación: Flujo Filtración
Medidor: Observador (persona)
Actuador: Válvula Manual
Controlador: Operador (persona)
Tanque
de Agua
Válvula
V-1
• Control lineal
(muy limitado, fácil de usar).
• Control No lineal
(para sistemas complejos, muy efectivo).
• Control óptimo
(busca la mejor solución sobre restricciones).
• Control robusto
(mejor desempeño ante perturbaciones).
Medicina y bioingeniería (Modela y regulación de equipo medico y terapéutico, control de
prótesis, )
Control de vehículos (Autopilotos de barcos y aviones, sistemas de navegación,
regulación de motores y maquinas, control de trafico).
Instrumentación (medición inteligente, interconexión entre funciones de regulación manual
y automática, comunicación de operaciones).
Sistema armamentista (búsqueda y seguimiento de blanco, sistema de radar).
Ingeniería ambiental (ventilación y aire acondicionado, modelos para procesos
ecológicos, estaciones meteorológicas, control de invernaderos).
Industria del proceso ( regulación y control de procesos, regulación de maquinas
industriales).
Ingeniería espacial (lanzamiento de satélites, control de naves espaciales, navegación
autónoma).
Industria de la producción ( sistemas flexibles de manufacturas, desarrollo de productos).
Industria de manufactura (automatización, regulación y control de maquinas CAD/CAM).
Realidad
Modelo
Análisis
Diseño de Reguladores
Evaluación
Funcionamiento OK?
Desarrollo e implementación
SI
NO
LISTADO DE ESPECIFICACIONES