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“Año del Diálogo y la Reconciliación Nacional” 

Integrantes: Graus Elías Christian Inga Pérez Deyvi Serquén Nicola Sergio Sipión Vílchez Aldo Vidaurre Santisteban Royer

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Docente: Ing. Oblitas Vera Carlos

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Tema: SISTEMA DE CONTROL

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Asignatura: Control I

 Facultad FACFYM – Ing. Electrónica

2018

E.1.1. Una fuente precisa de señales optimas puede controlar el nivel de potencia de salida dentro de un margen del 1% [32]. un rayo láser se controla mediante una entrada de corriente que produce la salida de potencia. un microprocesador controla la corriente de entrada al láser. el microprocesador compara el nivel de potencia deseado con una señal medida proporcional a la salida de potencia del láser, que se obtiene de un sensor. complétese el diagrama de bloques que representa este sistema de control de lazo cerrado que se muestra en la figura, identificando las variables de salida, entrada y medida, y el dispositivo de control.

E.1.2. El conductor de una automóvil emplea un sistema de control para mantener la velocidad del vehículo a un nivel determinado. dibújese un diagrama de bloques que ilustre este sistema de realimentación.

E.1.3. La pesca con mosca es un deporte en el que requiere que la persona lanza una pequeña mosca de plomo utilizando una barra ligera y una cuerda. el objetivo es colocar la mosca de forma precisa y ligera sobre la superficie distante de un rio. descríbase el proceso de lanzar la mosca y un modelo de este proceso.

E.1.4. Una cámara con autofoco ajustará la distancia de la lente desde la película utilizando un haz de infrarrojos o de ultrasonidos para determinar la distancia al objeto. Dibújese un diagrama de bloques de este sistema de control en lazo abierto y explíquese brevemente su operación.

E.1.5. Como un velero no puede navegar directamente siguiendo la dirección del viento y si lo hace en contra del viento es normalmente lento, la distancia de navegación más corta no suele ser la línea recta, así pues, los veleros cambian de bordada en la dirección del viento – el familiar rumbo en zigzag- y cambian la escota de una vela cuando van contra el viento. una decisión táctica de cuando cambiar de virada y hacia dónde ir puede determinar el resultado de una carrera. describir el proceso del cambio de virada de un velero cuando el viento modifica su dirección. represéntese en un diagrama de bloques este proceso.

E.1.6. Las autopistas automatizadas pueden ser predominantes en la próxima década. considérese dos autopistas automatizadas cuyos carriles se funden en un único carril y descríbase un sistema de control que asegure que los vehículos se van solapando con un espacio prefijado entre dos vehículos.

E.1.7. Descríbase el diagrama de bloques del sistema de control de velocidad de una moto con un conductor humano.

E.1.8. Descríbase el proceso de biorrealimentación utilizado por los seres humanos para regular factores tales como dolores o la temperatura del cuerpo humano. la biorrealimentacion es una técnica mediante la cual un ser humano puede, con algún éxito, regular de forma consiente el pulso, la reacción del dolor y la temperatura corporal.

E.1.9. Los aviones comerciales avanzados del futuro serán e-activados. esto permitirá al avión tomar ventaja de las mejoras continuas en la potencia de los computadores y en el crecimiento de las redes. los aviones pueden comunicar de forma continua su posición, velocidad y parámetros de salud critica a los controladores de tierra y reunir y transmitir datos meteorológicos locales. represéntese un diagrama de bloques que muestre como los datos meteorológicos de múltiples aviones se pueden transmitir a tierra, combinados mediante potentes redes de computadoras con su fase en tierra para crear un conocimiento preciso del tiempo en la zona y a continuación volver a transmitirlo al avión para seguir una ruta óptima.

E.1.10 Se están desarrollando vehículos aéreos no tripulados (UAV) para operar en el aire automáticamente por largo periodos de tiempo. por autónomo, se quiere expresar que no hay interacción con controladores humanos en tierra. represéntese un diagrama de bloques de un UAV autónomo cuya tarea es supervisar la cosecha utilizando fotografías aéreas. el UAV debe fotografiar y transmitir en vuelo la superficie de tierra completa siguiendo una trayectoria pre especificada de forma tan precisa como sea posible.

PROBLEMAS P.1.1. Muchos automóviles de lujo tienen sistemas de acondicionamiento de aire controlados termostáticamente para el confort de los pasajeros. represéntese un diagrama de bloques de un sistema de acondicionamiento de aire donde el conductor fija en el panel de instrumentación la temperatura interior deseada. identifíquese la función de cada elemento del sistema de enfriamiento controlado termostáticamente.

P.1.2. En el pasado, los sistemas de control utilizaban un operador humano como parte de un sistema de control de lazo cerrado. Dibújese el diagrama de bloques del sistema de control de la válvula que se muestra en la figura.

P.1.3. En un sistema de control de un proceso químico es importante controlar la composición química del producto. para controlar la composición, puede obtenerse una medición de está usando un analizador de infrarrojos del flujo, tal como se muestra en la figura pi.3. puede controlarse la válvula del flujo de aditivo. complétese el lazo de control con realimentación y dibújese un diagrama de bloques que describa la operación de lazo de control.

DIAGRAMA DE BLOQUE DE CONTROL DE UNA COMPOSICIÓN QUÍMICA

P.1.4. El control preciso de un reactor nuclear es importante para los sistemas de generación de potencia. suponiendo que el número de neutrones presentes es proporcional al nivel de potencia, se usa una cámara de ionización para medir dicho nivel. la corriente, “𝑖𝑜”, es proporcional al nivel de potencia. la posición de las barras de control de grafito modera este nivel. complétese el sistema de control del reactor nuclear que se muestra en la figura p1.4 y dibújese el diagrama de bloques que describe la operación del lazo d control con realimentación.

P.1.5. La figura pi.5 se muestra un sistema de control mediante una luz que se emplea para rastrear el sol. el eje de salida accionado por el motor mediante un engranaje de reducción, tiene unida una ménsula sobre el cual se montan dos fotocélulas. complétese el sistema de lazo cerrado de forma que dicho sistema siga la fuente luminosa.

P.1.6. Un sistema con realimentación no siempre es de realimentación negativa. la inflación económica, que se caracteriza por una elevación continua de los precios, es un sistema con realimentación positiva. un sistema de control con realimentación positiva, tal como se muestra en la figura pi.6, añade la señal de realimentación a la señal de entrada, y la señal resultante se usa como entrada del proceso. en la figura pi.6 se muestra un modo simple de la espiral inflación de precios-salarios. agréguense lazos de realimentación adicionales, tal como el control legislativo o el control de tasas de impuestos, para estabilizar el sistema. se supone que un aumento en los salarios de los trabajadores, después de transcurrido algún tiempo, da como resultado un aumento de los precios. ¿en qué condiciones podrán estabilizarse los precios falsificando o retrasando los datos sobre el valor del coste de la vida? ¿de qué forma afectaría al sistema de realimentación un programa nacional de control económico de precios y salarios?

P.1.7 La historia cuenta que un sargento se detenía en una joyería cada mañana a las nueve en punto y ajustaba su reloj comparándolo con el cronometro del escaparte. un día entro el sargento en el comercio y felicitó al dueño por la exactitud del cronómetro. “¿está ajustado con las señales horarias de Arlington?”, preguntó el sargento. “No”, contestó el dueño, “lo ajusto según el cañonazo de las 5 del fuerte, ¿dígame sargento porqué se detiene todos los días y comprueba la hora de su reloj?” el sargento contestó “yo soy el artillero del fuerte “ ¿Es la realimentación predominante en este caso positiva o negativa? el cronómetro del joyero se atrasa 2 minutos cada 24 horas y el reloj del sargento se atrasa 3 minutos cada 8 horas ¿cuál es el error total en la hora del cañón del fuerte después de 12 días?

P.1.8. El proceso de aprendizaje profesor-alumno es intrínsecamente un proceso con realimentación cuyo objetivo es reducir a un mínimo el error del sistema. con la ayuda de la figura i.3, constrúyase un modelo de realimentación para el proceso de aprendizaje e identifique cada bloque del sistema.

P.1.9. Los modelos de los sistemas de control fisiológico son de gran ayuda para la profesión médica. en la figura se muestra un modelo del sistema de control del ritmo cardiaco. este modelo incluye el procesamiento de señales nerviosas por parte del cerebro. El sistema de control del ritmo cardiaco es, de hecho, un sistema multivariable, donde x, y, w, u, z y v son variables vectoriales. en otras palabras, la variable x, representa muchas variables x1, x2, x3, x4, …, xn del corazón. determine el modelo del sistema de control de uno de los siguientes sistemas: 1. Sistema de control respiratorio.

4. Sistema de control del ojo.

2. Sistema de control de la adrenalina.

5. Sistema circulatorio.

3. Sistema de control del brazo humano.

P.1.10. El papel que desempeña los sistemas de control de tráfico aéreo en los aeropuertos de alta afluencia cobra cada vez mayor importancia, en la medida en que el tráfico aéreo aumento. los ingenieros están desarrollando sistemas de control de vuelo, de control de tráfico aéreo y de prevención de colisiones utilizando los satélites de navegación del sistema de posicionamiento global GPS. GPS permite a cada avión conocer su posición en el corredor de aterrizaje del espacio aéreo de manera muy precisa. represente un diagrama de bloques en el que se muestre como un controlador de tráfico aéreo podría utilizar GPS para evitar las colisiones entre aviones.

P.1.11. El control automático de nivel de agua mediante un flotador se usó en oriente medio para un reloj de agua [ 1,11]. El reloj de agua (figura p1.11) se usó desde antes de cristo hasta el siglo xvii. Analícese la operación del reloj de agua y establézcase cómo el flotador proporciona un control con realimentación que conserva la exactitud del reloj. dibújese un diagrama de bloques del sistema con realimentación.

P.1.12. Hacía 1750, Maikel inventó un engranaje de giro automático para molinos de viento [i, ii]. El engranaje de cola que se muestra en la figura p1.12 giraba automáticamente al actuar el viento sobre el molino. El molino de viento de la cola situado en ángulo recto con las aspas principales, servía para girar la torre. La relación del engranaje era del orden de 3000 a i. Analícese la operación del molino de viento y establézcase la operación de la realimentación que mantiene a las aspas principales dentro del viento.

P.1.13. Un ejemplo común de un sistema de control con dos entradas es una ducha que tiene llaves distintas para el agua caliente y el agua fría. El objetivo es obtener: (1) una temperatura deseada del agua de la ducha y (2) un flujo deseado de agua. Dibújese un diagrama de bloques del sistema de control de lazo cerrado.

P.1.14. Adam Smith (1723-1790) analizo el tema de la libre competencia entre los participantes de una economía en su libro la riqueza de las naciones. puede decirse que Smith empleo mecanismos de realimentación social para explicar sus teorías. Smith sugirió que los trabajadores disponibles como un todo, comparan los diferentes empleos posibles y toman aquellos que ofrecen la mayor remuneración, y en cualquier empleo el pago disminuye según aumenta el número de trabajadores solicitantes. Supongamos que r= total de pagos promediados en todas las actividades; q= afluencia de trabajadores dentro de una actividad específica. Dibújese un sistema de realimentación que lo represente.

P.1.15. Para controlar las emisiones y obtener un mejor rendimiento de combustible por kilómetro de los automóviles, se emplean computadores pequeños. Un sistema de inyección de combustible controlado por computador que de forma automática auto ajusta la relación de la mezcla airecombustible puede mejorar el rendimiento de combustible por kilómetro y reducir de forma significativa la emisión de productos contaminantes no necesitados. Dibújese el diagrama de bloques de tal sistema para un automóvil.

P.1.16. Todos los seres humanos han experimentado fiebre asociada con alguna enfermedad. La fiebre está relacionada con un cambio en la entrada de control del termostato corporal. Aunque las temperaturas del exterior fluctúen entre y – 18° y 38°c o más, este termostato, que se encuentra dentro del cerebro, regula normalmente la temperatura cerca de los 36°c. Cuando se tiene fiebre, la entrada o temperatura deseada se incrementa. Muchos científicos se sorprenden al saber que la fiebre en sí no indica una anomalía en el control de la temperatura corporal, sino una regulación ingeniosa que opera a un nivel elevado de entrada deseada. Dibújese un diagrama de bloques del sistema de control de temperatura y explíquese cómo una aspirina disminuye la fiebre.

P.1.17. Los jugadores de béisbol emplean la realimentación para medir el vuelo de una pelota y para dar un golpe con el bate [35]. Descríbase el método que emplea un bateador para juzgar la localización del lanzador de forma que pueda tener el bate en la posición correcta para golpear la bola.

P.1.18. En la figura se muestra un corte transversal de un regulador de presión de uso común. La presión deseada se ajusta al girar el tornillo calibrador. Esto comprime el resorte y establece una fuerza que se opone al movimiento ascendente del diafragma. El lado inferior del diafragma está expuesto a la presión de agua que se va a controlar. De esta forma, el movimiento del diafragma es una indicación de la diferencia entre la presión deseada y la real; esto es, actúa como comparador. La válvula se conecta al diafragma y se mueve de acuerdo con la diferencia de presión hasta que alcanza una posición en la cual la diferencia es cero. Represéntese un diagrama de bloques que muestre el sistema de control con la presión de salida como la variable controlada.

SE DEFINE LAS SIGUIENTES VARIABLES: P= PRESIÓN DE SALIDA, FS= FUERZA DEL TORNILLO= KX, FD = FUERZA DE DIAFRAGMA = AP, FV = FUERZA DE VÁLVULA = FS -FD. EL MOVIMIENTO DE LA VÁLVULA ESTÁ DESCRITO POR: Ÿ = FV/M DONDE M ES LA MASA DE LA VÁLVULA. LA PRESIÓN DE SALIDA ES PROPORCIONAL AL DESPLAZAMIENTO DE LA VÁLVULA, P = CY, DONDE C ES LA CONSTANTE DE PROPORCIONALIDAD.

P.1.19. Ichiro Masaka de general Motors ha patentado un sistema que automáticamente ajusta la velocidad de un coche para mantener una distancia de seguridad con el vehículo de adelante. Utilizando una cámara de video, el sistema detecta y almacena una imagen de referencia del coche que esta adelante. A continuación, compara esta imagen con un flujo de entradas de imágenes vivas cuando los coches se mueven por autopista y calcula la distancia. Masaka sugiere que el sistema debería controlar la dirección, así como la velocidad, permitiendo a los conductores seguir de forma automática al coche que va delante y conseguir así un . Represéntese un diagrama de bloques del sistema de control.

P.1.20. En la figura se muestra un coche de carreras de altas prestaciones con un alerón ajustable. Desarróllese un diagrama de bloques que describa la capacidad del alerón para mantener una adhesión a la carretera constante entre las ruedas del coche y la superficie de la pista de carrera. ¿Por qué es importante mantener una buena adhesión a la carretera?

P.1.21. El potencial de emplear dos o más helicópteros para transportar cargas que son demasiado pesadas para un único helicóptero es un tema que está bien plateado en la arena de los diseños civiles y militares de aviones de rotor. Los requisitos globales se pueden satisfacer más eficientemente con un avión más pequeño utilizando múltiples montacargas para los picos de demandas que son poco frecuentes. De aquí que la motivación principal de emplear múltiples montacargas se puede atribuir a la promesa de obtener una mejora en la productividad sin tener que fabricar helicópteros más grandes y costosos. Un caso específico de una disposición de múltiples montacargas donde dos helicópteros transportan conjuntamente cargas ha sido bautizado como montacargas gemelos. La figura muestra una configuración típica de montacargas gemelos “objeto pendiente de dos puntos” en el plano lateral/vertical.

P.1.22. Los ingenieros necesitan diseñar un sistema de control que permita que un edificio o cualquier otra estructura pueda reaccionar a la fuerza de un terremoto de la misma forma que lo haría un ser humano. La estructura cedería a la fuerza, pero sólo lo suficiente antes de que la fuerza sea aceptada para ser rechazada. Desarróllese un diagrama de bloques de un sistema de control para reducir el efecto de la fuerza de un terremoto.

P.1.23. Los ingenieros de la Universidad de las Ciencias de Tokio están desarrollando un robot con un rostro humano. El robot puede visualizar expresiones faciales de manera que puede trabajar cooperativamente con trabajadores humanos. Represéntese un diagrama de bloques de su propio diseño para el sistema de control de una expresión facial.

P.1.24. Una innovación para un limpia parabrisas de un automóvil intermitente en el concepto de ajustar su ciclo de barrido de acuerdo con la intensidad de la lluvia. Represéntese un diagrama de bloques del sistema de control del limpiaparabrisas.

P.1.25. Desde hace 40 años, más de 20000 toneladas métricas de hardware han sido colocadas en la órbita de la tierra. Durante el mismo periodo de tiempo, más de 15000 toneladas métricas de hardware han retornado a la tierra. Los objetos que permanecen en la órbita de la tierra tienen un tamaño que van desde una gran nave espacial operativa hasta pequeñas manchas de pintura. Hay unos 150000 objetos en la órbita de la tierra de un tamaño de 1cm o mayor. Alrededor de 10000 de los objetos que hay en el espacio son actualmente seguidos desde estaciones en la tierra. El control de tráfico en el espacio se está convirtiendo en un tema importante, especialmente para las compañías de satélites comerciales que piensan hacer volar sus satélites en orbitas en cuya altitud hay ya otros satélites en operación y en zonas donde pueden existir concentraciones elevadas de escombros espaciales. Represente un diagrama de bloques de un sistema de control de tráfico espacial que puedan utilizarlo las compañías comerciales para mantener sus satélites libres de colisiones mientras operan en el espacio.

P.1.26. La NASA está desarrollando un vehículo explorador compacto para transmitir datos desde la superficie de un asteroide a la Tierra, tal como se ilustra en la figura. El vehículo explorador utilizará una cámara para tomar fotografías panorámicas de la superficie del asteroide y podrá posicionarse de forma que la cámara pueda apuntar directamente hacia la superficie o hacia el cielo. Represéntese un diagrama de bloques que ilustre cómo el vehículo explorador se puede posicionar para apuntar la cámara en la dirección deseada. Supóngase que las órdenes de apuntamiento se retransmiten desde la Tierra al vehículo explorador y que la posición de la cámara se mide y se retransmite de vuelta hacia la Tierra.

PROBLEMAS AVANZADOS PROBLEMA AVANZADO PA.1.1.

PROBLEMA AVANZADO PA.1.2. En muchos lugares del mundo se están instalando sistemas de energía eólica avanzados como una forma que tienen las naciones de luchar contra el incremento de los precios del combustible y la escasez de energía, y para reducir los efectos negativos de la utilización de combustibles fósiles sobre la calidad de aire. Los modernos molinos de viento se pueden ver como sistemas mecatrónicas. Piense en como un sistema de energía eólica avanzado se diseñaría como un sistema mecatrónica. Relaciones los diferentes componentes de un sistema de energía eólica y asocie cada componente con uno de los 5 elementos de un sistema mecatrónica: modelado de sistema físico, señales y sistemas, computadoras y sistemas lógicos, software y adquisición de datos, sensores y actuadores.

PROBLEMAS DE DISEÑO PROBLEMA DE DISEÑO PD.1.1. Los requisitos cada vez más exigentes de la moderna maquinaria de alta precisión están colocando demandas crecientes sobre los sistemas de guía de deslizamiento. El objetivo es controlar de forma precisa la trayectoria deseada de la mesa que se muestra en la figura. Represente un modelo de diagramas de bloques de un sistema con retroalimentación para conseguir el objetivo deseado. La mesa se puede mover en la dirección por tal como se muestra.

PROBLEMA DE DISEÑO PD.1.2.

PROBLEMA DE DISEÑO PD.1.3. Como parte de la automatización de una granja lechera, está en estudio la automatización del ordeño de las vacas. Diséñese una ordeñadora que pueda ordeñar vacas cuatro o cinco veces al día bajo demanda de la vaca. Represente un diagrama de bloques e indíquenos los dispositivos en cada bloque.

PROBLEMA DE DISEÑO PD.1.4. El telescopio espacial Hubble se reparó y modificó en el espacio en algunas ocasiones. Un problema que plantea desafíos en el control del Hubble es amortiguar la fluctuación que hace vibrar la estructura espacial cada vez que entra o sale la sombra de la Tierra. La peor vibración tiene un período de unos 20 segundo o una frecuencia de 0.05 hercios. Diséñese un sistema con realimentación que reducirá la vibración del telescopio espacial Hubble.