introduccion curso prima 2015
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7/21/2019 Introduccion Curso Prima 2015
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J. Fermi Guerrero Castellanos Sistemas dinmicos Introduccin
Control de sistemas lineales
(Control I)
Profesor: Dr. J. Fermi Guerrero
Benemrita Universidad Autnoma de Puebla
Facultad de Ciencias de la Electrnica
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J. Fermi Guerrero Castellanos Sistemas dinmicos Introduccin
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Contenido
Qu es el control automtico?
Clasificacin del control
Por qu el control automtico?
Ejemplos de sistemas de control
Procedimiento de diseo de control
Contenido del curso
Forma de evaluacin
Referencias
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J. Fermi Guerrero Castellanos Sistemas dinmicos Introduccin
Qu es el Control Automtico?
Es una rama de la teora de sistemas dinmicos, hermana deltratamiento de seales (o teora del filtrado) y de las
telecomunicaciones (teora de la transmisin).
La ingeniera de control automtico, se refiere al uso de elementos sistemticos (como
control numrico (NC), controladores lgicos programables (PLC) y otros sistemas decontrol industrial) relacionados con aplicaciones de la tecnologa de la informacin
(como son las redes de comunicaciones), para el control de maquinaria y procesos,
reduciendo la necesidad de intervencin humana. En el mbito de la industrializacin, la
automatizacin esta a varios pasos por delante de la mecanizacin.
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J. Fermi Guerrero Castellanos Sistemas dinmicos Introduccin
El control automtico en lazo cerradose centra en el control de los sistemas dinmicosmediante el principio de la realimentacin, para conseguir que las salidas de los mismos
se acerquen lo ms posible a un comportamiento predefinido. Esta rama de la ingeniera
tiene como principal herramienta los mtodos de la teora de sistemas.
Orgenes del control automtico -> James Watt (1736-1819)
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Qu es el Control Automtico?
Flyball governor
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J. Fermi Guerrero Castellanos Sistemas dinmicos Introduccin
Evolucin del control automtico
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Primera parte del sigloXX
Aportaciones de :Black, Nyquist
Segunda parte del
siglo XX (ciberntica)Aportaciones de :Wiener, Kalman,
Luenberger
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Por qu el control automtico?
Sistemas complejos (ms y ms sensores y actuadores)
Altos requerimientos
Un buen sistema de control automtico es la clave
para la tecnologa:
Realza la calidad del producto
Asegura una minimizacin de la basura y de la energa
Permite la proteccin del medio ambiente
Mayor produccin
Mrgenes de seguridad ms altos
Reduce el costo global
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En la actualidad
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Control Automtico
Lazo cerrado
Definicin:
Es una disciplina de la ingeniera encargada de disear
sistemas de retroalimentacin(Feedback systems).
Feedback ?Feedback is a central feature of the life. The procces of the feedbackgoverns how we grow, respond to stress and challenge, and regulate factors
such as body temperature, blood preasure, and cholesterol level. Themechanisms operate at every level, from the interconection of proteins in
cells to the interaction of organisms in complex ecologies.
Hoagland and Dodson, The Way Life Works, 1995
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Control Automtico
Lazo cerrado
Enfoque Clsico Enfoque Moderno
Descripcin Entrada-SalidaFuncin de Transferencia
Descripcin enEspacio de estados
Estos enfoques son diferentes pero muchas veces son complementarios
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4 pasos para el diseo de control en lazo
cerrado
Modelacin matemtica
! Obtener un modelo del sistema utilizando leyes de la fsica,qumica, biologa, economa.
! Modelos por medio de experimentos (Identificacin)
! Dos tipos de modelos pueden ser encontrados:
Uno simple para proponer las leyes de control
Uno muy detallado para probar la ley de control en
simulacin.
Obtener la ley de control: P,PI,PID,retroalimentacion deestados, LQR, (en el caso lineal) y Backsteping, Sliding Modes,
Lyapunov Based, etc..(en el caso no lineal)
Disear un observador:Si las medidas no pueden ser obtenidasdirectamente por medio de los sensores disponibles, (siempre y
cuando el sistema cumpla con la propiedad de observabilidad)
Cerrar el lazo de control(Feedback)
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Ejemplo de Feedback:
Control de velocidad de un automvil
Velocidad
(Ideal)
NavegacinVelocidad del
vehculo
ClculoLey de control
ActuadorPedal de
acelerador
(Realidad)
La correccin iguala a la realidad con lo ideal !!!!
Objetivo:
Estabilidad:el sistema se mantenga en el punto deseado de operacin (velocidaddeseada)
Desempeo: el sistema alcance la velocidad deseada de la mejor manera
Robustez:el sistema tolere perturbaciones en la dinmica (masas, rozamiento,
etc)
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Campos de aplicacin
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Las plantas industriales modernas requieren sofisticados de sistemas de controlpara que su operacin sea exitosa.
Aeroespacial Petrolera
Ingeniera de procesos: agua, nuclear, qumicos
Automotriz
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Ejemplos en el mbito del generacin de
energa
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Energa elica
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Charles F. Brushs wind
turbine (1887, Cleveland, Ohio), the
worlds first automatically
operating wind turbine forelectricity generation.
Multidisciplinary computer design tools for wind turbine design.
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Turbinas de Viento
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Ref: Oliver Sename, INP, France
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Turbinas de Viento
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Power curve of a wind turbine and control zones.
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KiteGen
Papalotes generadores
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J. Fermi Guerrero Castellanos Sistemas dinmicos Introduccin
KiteGen
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Energa Solar
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Plataforma Solar de Almeria (PSA).
SEGS plants III-VII in California, U.S.A.
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Ejemplos en el mbito del ahorro de energa
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Edificios inteligentes
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J. Fermi Guerrero Castellanos Sistemas dinmicos Introduccin
Edificios inteligentes
High comfort level: Learn the comfort zone from the users preference, and
guarantee a high comfort level (thermal, air quality and illuminance) and good
dynamic performance.
Energy savings: Combine the comfort conditions control with an energysaving strategy.
Air quality control: Provide CO2-based demand-controlled ventilation (DCV)
systems.
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Goals of an intelligent management system for energy and comfort(Dounis,Energy&Building 2009) :
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Ejemplos en los sistemas de transporte
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Sistemas de transporte
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Sistemas de transporte
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Sistema common rail
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Sistemas de transporte
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ESP: Electronic Stability Program
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Ejemplos en sistemas espaciales
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Sistemas espaciales
"Control de orientacin"Control de trayectoria
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Ejemplos en Robtica
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Robtica
Robtica terrestre
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J. Fermi Guerrero Castellanos Sistemas dinmicos Introduccin
Mobile-Robot-Enabled Smart Warehouses
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Robtica
Sistemas areos no tripulados (UAV)
Los drones
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Diseo Mecatrnico
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Diseo CAD/CAE
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Diseo Mecatrnico
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CAE/CAD
Diseo Control
DYMOLAMOBILE
ACSL,SIMPACK, MATLAB/Simulink, MATHEMATICA
Diseo Mecatrnico
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Diseo MecatrnicoProcedimiento para el modelado de los procesos
(a lo cual estar enfocado este curso)
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Cul es concretamente el rol de un ingeniero en control automtico?
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Trabajo de un ingeniero en control
automtico
1. Transformar las especificaciones de funcionamiento en especificaciones de
estabilidad y desempeo.
2. Encontrar el modelo matemtico del sistema (simplificarlo si es
necesario,etc..)
3. Analizarel sistema
4.
Disearun controlador5. Simulacindel sistema en lazo cerrado
6. Sintonizar el controlador
7. Implementar en tiempo real
8. Optimizarde la sintonizacin
9. Abriry beber la champagne
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Objetivos del curso
Entender conceptos matemticos claves sobre Modelacin desistemas y sus diferentes representaciones:
!Ecuaciones diferenciales lineales y no lineales
!Funciones de transferencia (recordatorio)
!Espacio de estados
Conceptos claves de teora de la retroalimentacin,
estabilidad, controlabilidad, observabilidad.
Resolver problemas de modelacin matemtica:
cual i ta t ivamente (en papel) y cuant i tat ivamente
(experimentalmente)
Analizar la dinmica de un sistema utilizando MATLAB/simulink.
Implementar virtualmente un sistema de control.
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Contenido del curso
1. Espacios lineales y operadores
Independencia lineal, bases y representaciones,
Operadores lineales,
Sistemas de ecuaciones lineales algebraicas,
Valores, vectores propios y formas de Jordan,
Funciones de una matriz cuadrada,
Normas y producto interno, Definiciones y propiedades de sistemas
2. Descripciones matemticas de sistemas
La descripcin entrada-salida,
La descripcin espacio estado,
Relacin entre funcin de transferencia y descripcin espacio deestado.
Concepto de estabilidad
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Requisito
Examen 1
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Contenido del curso
3. Ecuaciones dinmicas lineales y matrices de respuesta al impulso
Solucin de la ecuacin de estado (Metodo de Laplace y Jordan)
Control de mnima energa (control lazo abierto).
4. Controlabilidad y Observabilidad de ecuaciones lineales dinmicas
Independencia lineal de funciones temporales,
Controlabilidad de ecuaciones lineales dinmicas, Observabilidad de ecuaciones lineales dinmicas,
Descomposicin cannica de una ecuacin lineal e invariante en el tiempo,
Controlabilidad y Observabilidad de ecuaciones dinmicas de la forma de Jordan,
Controlabilidad de salida y funcin de salida.
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Examen 2
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Contenido del curso
5. Realimentacin e Identificacin de estados Formas cannicas de ecuaciones dinmicas,
Realimentacin de estado,
Estimadores de estado,
Vnculo entre la realimentacin de estados y el estimador de estados,
Desacoplamiento por estimacin de estado.
Regulador optimo lineal cuadrtico (LQR)6. Ejemplos de diseo
7. Estabilidad de sistemas lineales,
Criterios de estabilidad en trminos de la entrada-salida,
Teorema de Lyapunov
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Examen 3
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Forma de evaluacin
40 % Exmenes
30% Prcticas
30 % Proyecto
Nota: En ocasiones ser necesario la lectura de artculos.
Bibliografa principal:
1) Repaso de algebra lineal: Algebra Lineal, Serge Lang. Fondo Educativo Interamericano.
2) Control en el espacio de estado. Sergio Dominguez Pascual Campoy, et al.
3) Feedback Systems : an Introduction for Scientists and Engineers, K.J.Astrm, R.M.Murray, Princeton University
Press, 2008.
4) Literatura clsica y til.
Sistemas automticos de control. Benjamn kuo.
Sistemas de control en ingeniera, Norman. S. Nise (util para ejemplos de modelos matemticos)
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Proyecto
Elegir un sistema dinmico (real o virtual) en cualquier mbito.
Realizar un diagrama estructural en el que se identifiquen las seales deentrada y de salida del sistema y de los posibles subsistemas en los que
puede ser subdividido. Determinar las ecuaciones fsicas que describen el comportamiento dinmicodel sistema.
Elegir, si procede, las simplificaciones e hiptesis necesarias para conjugaradecuadamente simplicidad y precisin y obtener finalmente un modelomatemtico del sistema expresado en espacio de estados.
Proponer un control/observador para el sistema.
Simular dicho modelo mediante tcnicas y herramientas de simulacin(MATLAB/Simulink)
Generar una animacin a partir de los resultados de la simulacin. En el casode hacerla interactiva (es decir, que el usuario pueda actuar sobre el sistemapara observar su respuesta), la animacin se har en tiempo de simulacin.
El trabajo deber recorrer el proceso completo de modelado, simulaciny control de un sistema dinmico, incluyendo los siguientes aspectos:
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Ejemplos
Animacin
Animacin
Mechanical Desktop Nastram/Matlab-Simulink
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Ejemplos
Animacin
Virtual realityMATLAB
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MAV de alas batientes
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Actividades de esta semana
Revisar capitulo 2 y 3 del libro Feedback Systems, no esnecesario entender todos los modelos matemticos pero si
los problemas planteados.
Quitar el polvo y revisar sus notas sobre Transformadas deLaplace, funcin de transferencia y diagramas de bode.
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Preguntas?
Nos vemos el mircoles
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