guia de componente practico 2013-i control analogico

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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD

ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS TECNOLOGIA E INGENIERIA

GUIA COMPONENTE PRÁCTICO DEL CURSO: 299005 –CONTROL ANALÓGICO

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA


GUÍA COMPONENTE PRÁCTICO

299005 – CONTROL ANALOGICO

FABIAN BOLIVAR MARIN

(Director Nacional)

JUAN OLEGARIO MONROY VASQUEZ

Acreditador

NEIVA

2012

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2. ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIEN TO

La presente guía fue diseñada en el año 2012 por el Ingeniero Fabián Bolívar Marín, tutor de la UNAD-Zona Sur, CCAV Neiva.

El material ha sido revisado por el Ingeniero Juan Olegario Monroy Vásquez quien actualmente se desempeña como tutor en la UNAD CEAD Sogamoso.

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3. INDICE DE CONTENIDO

TEMA Pág.

INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………..

OBJETIVOS…………………………………………………………………………..

LISTADO DE TABLAS………………………………………………………………

LISTADO DE GRAFICAS Y FIGURAS…………………………………………….

CARACTERISTICAS GENERALES……………………………………………….

DESCRIPCIÓN DE PRÁCTICAS…………………………………………………..

PRACTICA No 1…………………………………………………………………….

PRACTICA No 2……………………………………………………………………..

ANEXOS……………………………………………………………………………….

FUENTES DOCUMENTALES………………………………………………………

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6

7

9

9

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INTRODUCCIÓN

El curso de Control Analógico es la base para ingresar al mundo de la Automatización; desde esta óptica, es pertinente involucrar al estudiante en todos aquellos aspectos que le permitan identificar los diferentes contextos donde se aplica la temática o contenidos teóricos del curso. De esta forma habrá una mejor apropiación de los conceptos más elementales como la clasificación de los Sistemas de Control hasta el diseño e implementación de Sistemas de Control PID teniendo en cuenta aspectos como la controlabilidad, observabilidad y las reglas de sintonización utilizadas.

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OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA:

• Aplicar los conocimientos adquiridos en el curso Control Analógico para el diseño de controladores P, PI y PID.

• Comprender y diferenciar la dinámica de un sistema cuando se aplican distintos tipos de controladores.

• Analizar la respuesta transitoria y en estado estable con cada tipo de controlador.

• Interpretar y analizar lo que significa en un sistema de control la Observabilidad y la Controlabilidad.

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4.1 LISTADO DE TABLAS

Tabla 1: Registro de la respuesta de la planta Tabla 2: Parámetros de arranque para los controlado res Tabla 3: Respuesta del sistema con los controladore s diseñados Tabla 4: Parámetros finales para la mejor respuesta Tabla 5: Respuesta del sistema con controladores fi nales

Tabla 6: Algunos comandos y funciones de matlab

4.2 LISTADO DE GRÁFICOS Y FIGURAS

Figura 1: Función de transferencia de la planta

Figura 2: Montaje en simulink para la simulación de los contr oladores

Figura 3: Representación del sistema en espacio de estados

Figura 4: Matrices del espacio de estados

Figura 5: Respuesta a escalón en matlab.

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5. CARACTERÍSTICAS GENERALES

Introducción El Control Análogo es el área básica de la automatización y le permite al estudiante desarrollar las habilidades y competencias suficientes para enfrentar el área de profundización de la Automatización y Control.

Justificación El desarrollo del componente práctico del curso Control Analógico permite consolidar la apropiación de los conceptos y teorías del Control Análogo aplicado a contextos reales del área de la automatización.

Intencionalidades formativas Propósitos: Complementar el desarrollo tematico del curso Control Analógico.

Objetivos: Lograr que el estudiante se apropie e interprete los conceptos teoricos del curso.

Metas: Lograr que los estudiantes del curso Control Analógico interpreten los criterios basicos del modelamiento matemático, el diseño e implementación de Sistemas de Control.

Competencias: El estudiante adquiere la formación para identificar, interpretar, argumentar y resolver problemas del contexto de aplicación del Control Analógico con idoneidad y compromiso ético, articulando el saber ser, el saber hacer y el saber conocer.

Denominación de practicas Práctica 1: Diseño de controladores.

Practica 2: Análisis de Controlabilidad y Observabilidad en sistemas.

Número de horas 16

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Porcentaje 100 puntos en plataforma. (20% de la nota definitiva)

Curso Evaluado por proyecto SI___ NO X

Seguridad industrial Las prácticas son desarrolladas sobre software de modelamiento matemático y simuladores, por lo tanto no existen riesgos significativos.

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6. DESCRIPCIÓN DE PRÁCTICAS

PRACTICA No. 01 – Diseño de controladores

Tipo de practica

Presencial X Autodirigida X Remota X

Porcentaje de evaluación 60 puntos Horas de la practica 12 horas Temáticas de la práctica Unidad 1, Capítulo 4 de la Unidad 2 Intencionalidades formativas

Propósito: Complementar el desarrollo tematico de la Unidad 1 del curso y del capítulo 4 de la Unidad 2 del mismo.

Objetivo: Identificar las competencias adquiridas por el estudiante en el diseño de controladores.

Meta: Lograr que el estudiante adquiera destreza en el diseño de controladores P, PI y PID.

Competencia: El estudiante adquiere fortalezas, habilidades y aplica los conocimientos del curso Control Analógico en el desarrollo y sintonización de controladores P, PI y PID

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Fundamentación Teórica

Toda la temática planteada en la Unidad 1 y capítulo 4 de la Unidad 2 del módulo del curso, y los aspectos teóricos vistos en el curso de Sistemas Dinámicos.

Descripción de la practica:

PROCEDIMIENTO:

Se tiene una planta o proceso con la siguiente función de transferencia:

Figura 1 - Función de transferencia de la planta Encontrar la respuesta en lazo abierto de dicha planta ante una entrada escalón unitario. Para ello se puede utilizar el toolbox Simulink de Matlab o Scilab.

De acuerdo a la forma de la respuesta obtenida en la simulación, responder la siguiente pregunta: ¿Qué método de diseño se puede emplear para el diseño de controladores y por qué?

La respuesta obtenida en la simulación se debe registrar en la siguiente tabla:

Tabla 1 - Registro de la respuesta de la planta

FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA DE

LA PLANTA

PANTALLAZO: ARCHIVO DE

SIMULINK O SCILAB EMPLEADO

PANTALLAZO: RESPUESTA EN LAZO

ABIERTO DE LA PLANTA ANTE

ENTRADA PASO O ESCALÓN UNITARIO

Una vez realizado este proceso, encontrar los parámetros de arranque para un controlador P, PI y un PID utilizando el método adecuado.

)3)(2)(1(

6)(

+++=

ssssG

)3)(2)(1(

6)(

+++=

ssssG

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Se deben mostrar todos los pasos y cálculos empleados en el procedimiento y al final registrar los parámetros en la siguiente tabla:

Tabla 2 - Parámetros de arranque para los controladores

Parámetro Controlador P Controlador PI Controlador PID

Kp

Ki

Kd

Una vez se hallen los parámetros de arranque para cada controlador, realizar con el simulink o en su defecto scilab la simulación de los controladores, utilizando un escalón unitario como set point, así:

Figura 2 - Montaje en simulink para la simulación de los controladores NOTA: En el caso de utilizar Matlab, usar el bloque PID controller del simulink para la simulación de los controladores. Registrar los pantallazos con las respuestas del sistema en la siguiente tabla:

Tabla 3 - Respuesta del sistema con los controladores diseñados

Controlador P Controlador PI Controlador PID

Pantallazo respuesta de la planta

Realizar los ajustes necesarios a cada uno de ellos con el fin de sintonizar y obtener la mejor respuesta posible del sistema, procurando obtener un sobreimpulso menor al 10% y un tiempo de establecimiento o asentamiento

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menor a 4 segundos. Los parámetros finales de los controladores ya sintonizados se deben registrar en la siguiente tabla:

Tabla 4 - Parámetros finales para la mejor respuesta

Parámetro Controlador P Controlador PI Controlador PID

Kp

Ki

Kd

La respuesta del sistema con los ajustes indicados (sobreimpulso y tiempo de establecimiento deseados), usando el mismo montaje empleado en el diseño de los parámetros iniciales, se debe registrar en la siguiente tabla:

Tabla 5 - Respuesta del sistema con controladores finales.

Controlador P Controlador PI Controlador PID

Pantallazo respuesta de la planta

NOTA IMPORTANTE: Recordemos que los parámetros enco ntrados a través de los métodos Ziegler y Nichols nos arrojan los parámetros iniciales o de arranque para un controlador, que si rven como base para posteriormente ajustarlos hasta encontrar la respue sta deseada. El objetivo de este laboratorio es encontrar la sinton ización adecuada de los controladores diseñados inicialmente hasta lograr l a respuesta del sistema sugerida (sobreimpulso menor a 10% y tiempo de esta blecimiento menor a 4 segundos).

Realizar análisis y sacar conclusiones de la dinámica del sistema con los tres controladores, indicando ventajas y desventajas que se pudieron observar con cada uno de ellos.

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CONCLUSIONES: El estudiante debe expresar de manera clara y argumentada 5 conclusiones.

Recursos a utilizar en la práctica (Equipos / instr umentos):

Se debe contar con un ordenador o computador con las siguientes características básicas: Un Procesador de mínimo 1.6 GHz, una RAM de mínimo 1 GByte, un disco duro de mínimo 260 Gbyte y un tamaño de bus de datos de 64 bits.

Software a utilizar en la práctica u otro tipo de r equerimiento para el desarrollo de la práctica

Se debe contar con el Software Matlab o en su defecto Scilab.

Seguridad Industrial

Las prácticas son desarrolladas sobre software de modelamiento matemático y simuladores, por lo tanto no existen riesgos significativos

Metodología :

Conocimiento previo para el desarrollo de la práctica: Para el desarrollo de esta práctica el estudiante debe haber leído y aprobado la Unidad 1 y el capítulo 4 de la Unidad 2 del módulo del curso Control Analógico; además es necesario haber visto, aunque no es requisito, los cursos CAD para electrónica, CAD Avanzado para Electrónica y Sistemas Dinámicos.

Forma de trabajo: El estudiante puede trabajar de forma individual ó con sus compañeros de Cead, Ceres o CCAV, y con el acompañamiento del tutor encargado, si existe la posibilidad en su centro. Procedimiento: El estudiante, independientemente de la forma en que haya trabajado (con tutor o de forma autónoma), entregará al tutor de práctica el informe correspondiente. El tutor encargado del componente práctico en cada centro debe evaluar los informes presentados y enviar las notas correspondientes al correo institucional del tutor virtual de cada estudiante.

Sistema de Evalu ación

El estudiante, independientemente de la forma en que haya trabajado (con tutor o de forma autónoma), entregará al tutor de práctica el informe correspondiente. El tutor encargado del componente práctico en cada centro debe evaluar los informes presentados y enviar las notas correspondientes al correo institucional del tutor

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virtual de cada estudiante.

Informe o productos a entregar al tutor de pr áctica

El informe presentado debe tener los siguientes ítems:

� Portada.

� Introducción.

� Objetivos

� Desarrollo de la actividad y análisis: En este ítem el estudiante debe plasmar todo el procedimiento empleado detalladamente junto con las tablas solicitadas y dando respuesta a las preguntas planteadas en el ítem “Procedimiento” de la presente guía y realizando análisis a lo largo del desarrollo de la práctica.

� Conclusiones (5 conclusiones bien argumentadas)

� Fuentes documentales.

Este informe debe ser presentado en formato PDF.

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Rúbrica de evaluación

ITEM A EVALUAR

VALORACIÓN BAJA

VALORACIÓN MEDIA

VALORACIÓN ALTA

Descripción de la

práctica.

El estudiante realiza el adecuado diseño y sintonización de un controlador.

10 puntos

El estudiante realiza el adecuado diseño y sintonización de dos controladores.

20 Puntos.

El estudiante realiza el adecuado diseño y sintonización de

los tres controladores

solicitados

30 Puntos.

Aspectos del Informe o producto.

El estudiante entrega informe con procedimientos pero sin análisis ni conclusiones.

5 Puntos.

El estudiante entrega el informe con los procedimientos solicitados, realiza análisis pero no saca conclusiones.

20 Puntos.

El estudiante entrega el informe

con los procedimientos

solicitados, realiza análisis y saca conclusiones.

30 Puntos

TOTAL PUNTOS 60

Retroalimentación

Para la realimentación y calificación se utilizarán los links habilitados en el curso.

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PRACTICA No. 02 – Análisis de la Controlabilidad y Observabilidad en

sistemas

Tipo de practica Presencial X Autodirigida X Remota X

Porcentaje de evaluación 40 puntos Horas de la practica 4 horas Temáticas de la práctica Unidad 2, Capí tulo 6 Intencionalidades formativas

Propósito: Complementar el desarrollo temático del capítulo 6 de la Unidad 2 del módulo del curso.

Objetivo: Identificar las competencias adquiridas por el estudiante en el análisis de la observabilidad y controlabilidad de sistemas.

Meta: Lograr que el estudiante analice la controlabilidad y observabilidad de un proceso.

Competencia: El estudiante adquiere la capacidad de analizar si un sistema es controlable y observable argumentando de forma matemática su estudio.

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Fundamentación Teórica

Toda la temática planteada en el capítulo 6 de la Unidad 2 del módulo del curso Control Analógico.

Descripción de la practica

Desarrollo de las Actividades:

Para el siguiente sistema expresado en espacio de estados:

Figura 3 - Representación del sistema en espacio de estados

Donde:

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Figura 4 - Matrices del espacio de estados

Determinar, explicando todo el procedimiento empleado:

a. Su controlabilidad.

b. Su observabilidad.

Recursos a u tilizar en la práctica (Equipos / instrumento s)

Se debe contar con un ordenador o computador con las siguientes características básica: Un Procesador de mínimo 1.6 GHz, una RAM de mínimo 1 GByte, un disco duro de mínimo 260 GByte y un tamaño de bus de datos de 64 bits.

Software a utilizar en la practica

Se debe contar con el Software Matlab o en su defecto Scilab.

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Metodología

Conocimiento previo para el desarrollo de la práctica: Para el desarrollo de esta práctica el estudiante debe haber leído y aprobado el capítulo 6 de la Unidad 2 del módulo del curso Control Analógico.

Forma de trabajo: El estudiante puede trabajar de forma individual ó con sus compañeros de Cead, Ceres o CCAV, y con el acompañamiento del tutor encargado, si existe la posibilidad en su centro. Procedimiento: El estudiante, independientemente de la forma en que haya trabajado (con tutor o de forma autónoma), entregará al tutor de práctica el informe correspondiente. El tutor encargado del componente práctico en cada centro debe evaluar los informes presentados y enviar las notas correspondientes al correo institucional del tutor virtual de cada estudiante.

Sistema de Evaluación

El estudiante, independientemente de la forma en que haya trabajado (con tutor o de forma autónoma), entregará al tutor de práctica el informe correspondiente. El tutor encargado del componente práctico en cada centro debe evaluar los informes presentados y enviar las notas correspondientes al correo institucional del tutor virtual de cada estudiante.

Informe o productos a entregar al tutor de práctica

El informe presentado debe tener los siguientes ítems:

� Portada.

� Introducción.

� Objetivos

� Desarrollo de la actividad con procedimientos detallados y análisis

� Conclusiones (5 conclusiones)

� Fuentes documentales.

Este informe debe ser presentado en formato PDF.

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Rúbrica de evaluación

ITEM A EVALUAR

VALORACIÓN BAJA VALORACIÓN MEDIA

VALORACIÓN ALTA

Aspectos del Informe o producto.

El estudiante entrega informe con procedimientos pero sin análisis ni conclusiones.

10 Puntos.

El estudiante entrega el informe con los procedimientos solicitados, realiza análisis pero no saca conclusiones.

30 Puntos.

El estudiante entrega el informe

con los procedimientos

solicitados, realiza análisis y saca conclusiones.

40 Puntos

TOTAL PUNTOS 40

Retroalimentación

Para la realimentación y calificación se utilizarán los links habilitados en el curso.

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ANEXOS

Tabla 6 - Algunos comandos y funciones de matlab

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Figura 5 - Respuesta a escalón en matlab

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7. FUENTES DOCUMENTALES

M. Etter, Delores. (1997). Solución de Problemas de Ingeniería con Matlab. Prentice-Hall. Segunda Edición. Colorado (USA).

Bolton, W. (2001) Ingeniería de Control. Alfaomega 2ª. Edición.

Kuo Benjamín C. (1997) Sistemas Automáticos de Control. Compañía Editorial Continental S.A.

México.

Katsuhico, Ogata. (2008) Ingeniería de Control Modern. Pearson Prentice. 4ª. Edición. Webgrafia: Diseño en el Espacio de Estados. Tomado el 28 de enero del 2010 de la fuente

http://www.ib.cnea.gov.ar/~dsc/capitulo8/Capitulo8.htm

guia de componente practico 2013-i control analogico

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