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