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• Ignacio Farias

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DuocUC Vicerrectoría Académica Programa Instruccional de Asignatura CAP6101

CONTROL AUTOMATICO DE PROCESOS

10 créditos

90 horas

Requisitos: No tiene

Fecha Actualización: 19-NOV-14

ESCUELA DE Ingeniería CARRERA:INGENIERIA EN ELECTRICIDAD Y AUTOMATIZACION INDUSTRIAL

1. IDENTIFICACIÓN DE LAS COMPETENCIAS COMPETENCIAS ASOCIADAS A LA ASIGNATURA ELABORAR PROYECTOS DE INGENIERÍA DE AUTOMATIZACIÓN DE ACUERDO A LOS A REQUERIMIENTOS DEL MANDANTE Y/O NORMAS VIGENTES, ASEGURANDO EL USO EFICIENTE Y SUSTENTABLE DE LA ENERGÍA. Asignaturas y niveles asociados: EEP6101(4) - CAP6101(3) - SCD6101(4) UNIDADES DE COMPETENCIA ASOCIADAS A LA ASIGNATURA ELABORAR PROYECTOS DE INGENIERÍA DE AUTOMATIZACIÓN DE ACUERDO A LOS A REQUERIMIENTOS DEL MANDANTE Y/O NORMAS VIGENTES, ASEGURANDO EL USO EFICIENTE Y SUSTENTABLE DE LA ENERGÍA.

 

Verifica características principales de un sistema de control para su aplicación en proyectos de automatización industrial. Verifica sintonización de controladores industriales para su aplicación en proyectos de automatización.

2. EVALUACIÓN FINAL DE LA ASIGNATURA EVIDENCIAS De Producto: Sistema de control PID sobre un proceso industrial, que contiene las siguientes evidencias: Modelamiento de procesos lineales Diseño de controladores a partir del uso de la técnica de estabilidad Routh Hurwitz para determinar la ganancia de controladores en base a la estabilidad de sistemas Uso de los bloques asociados para la determinación de lazos realimentados construidos en Simulink y a su vez determinación de LGR. En máquinas reales. Análisis de la linealidad de componentes esenciales para cerrar un lazo de control abierto Construcción y sintonización de un controlador PID para estabilizar algún proceso. Generación de perturbaciones al proceso para poner ante el peor de los casos la eficiencia de un controlador ante el error (en estado permanente) INSTRUMENTO Escala de valoración o rúbrica SITUACION EVALUATIVA Encargo con Presentación. pondera un 40% de la nota final de asignatura HORAS: 5

3. UNIDADES DE APRENDIZAJE Unidad de Aprendizaje 1 No: Nombre de la Unidad de Aprendizaje:

Modelamiento de Sistemas.

Horas:

35

Nivel de dominio de Unidad de Competencia la Unidad

Aprendizaje Esperado

de competencia  Determinar el comportamiento de sistemas reales, a partir del Verifica características principales de un sistema de control para su uso de software Matlab y/o herramienta Simulink. aplicación en proyectos de automatización industrial.  Modelar sistemas mecánicos y eléctricos, a partir de ecuaciones diferenciales.

3

CONTENIDOS CONOCIMIENTOS HABILIDADES 1. Sistemas lineales y no lineales. 2. Tipos de funciones de prueba (Escalón, rampa, impulso, etc.) 3. Pares de transformadas de Laplace y Fourier.



ACTITUDES

Transformada Inversa de Laplace

 Plantea ecuaciones diferenciales, a partir de leyes físicas o circuitos eléctricos.  Utiliza pares de transformadas de Laplace, en función de 4. Modelamiento de sistemas continuos a través modelamientos de sistemas. de funciones de transferencia o diagramas de  Determina la función de transferencia de sistemas con una bloque entrada y una salida, a partir de cálculos algebraicos.  Determina el modelo en espacio de estados de sistemas múltiples entradas y múltiples salidas, a partir de  Modelar sistemas discretos a través con cálculos de matrices. ecuaciones de estado.  Determina la función de transferencia del bloque equivalente, a partir de un diagrama de bloques.  Convierte diagramas de bloques a Diagramas de flujo de  Ser analítico en la verificación de señales y viceversa, de acuerdo al tipo de señales del 5. Diagramas de bloques comportamientos de sistemas, sistema. según sus características.  Determina estabilidad de sistemas mecánicos y eléctricos, Ser ordenado en la ejecución de  Propiedades de los diagramas de de acuerdo al signo de los polos del polinomio característico cálculos y algoritmos algebraicos, bloques y transformación en de la función de transferencia. según tarea a realizar. diagramas de flujo de señales.  Representa sistemas típicos de primer y segundo orden, en  Metódico en el ingreso de función de las características de la respuesta de sistemas  Tipos de realimentación en funciones de transferencia en  Utiliza comandos para ingresar la función de transferencia software Matlab y herramienta diagramas de bloques. de un sistema mecánico o eléctrico Simulink  Utiliza comandos para determinar el comportamiento de  Ser ordenado en el uso del sistemas ante la entrada de señales de prueba tipo escalón, instrumental de laboratorio. 6. Respuesta típica para sistemas de primer y rampa e impulso, en base a la función de transferencia segundo orden. ingresada.  Utiliza comandos para determinar la estabilidad de sistemas, en base a la función de transferencia ingresada.  tipos de sistemas de segundo orden  Utiliza bloques de la herramienta Simulink para en función a su factor de determinar el comportamiento de sistemas en lazo abierto, amortiguamiento y frecuencia ante la entrada de señales de prueba tipo escalón, en base a la natural función de transferencia ingresada.  Utiliza bloques de la herramienta Simulink para determinar el comportamiento de sistemas en lazo cerrado, ante la entrada de señales de prueba tipo escalón, en base a la 7. Estabilidad de sistemas mecánicos y función de transferencia ingresada. eléctricos.



Mapa de polos y ceros: zona de estabilidad, Inestabilidad y Críticamente estable.

EVALUACIÓN DE LA UNIDAD DE APRENDIZAJE

EVIDENCIAS

De Conocimientos Fundamentales: • Modelamiento de procesos lineales • Uso de la transformada de Laplace y Fourier para resolver ecuaciones diferenciales. • Representación de sistemas en forma de función de transferencia, diagrama de bloques o ecuaciones de estado. • Cálculos del factor de amortiguamiento, frecuencia natural, 95% de la respuesta de un sistema de primer o segundo orden. • Identificación y cálculos de los tiempos estimados de la respuesta de un sistema de segundo orden • Identificación de los algoritmos utilizados para el ingreso de funciones de transferencia, comandos asociados a la estabilidad de sistemas y funciones de prueba De Proceso: Desarrollo de cinco guías de laboratorios, que contemplan las siguientes evidencias:

- Modelamiento de procesos lineales, con el uso de software - Determinación de características y estabilidad de sistemas eléctricos y mecánicos. - Reducción de diagramas de bloques, con el uso de software - Diseño de gráficos, con el uso de software. - Cálculos de factor de amortiguamiento y frecuencia natural - Determinación de tiempos estimados De Conocimientos Fundamentales La situación evaluativa corresponde a una prueba escrita, donde el instrumento asociado consta de preguntas de selección múltiple y de desarrollo. Pondera un 15%. INSTRUMENTO De Proceso La situación evaluativa corresponde a ejecuciones prácticas, donde el instrumento asociado a cada guía de laboratorio corresponde a una escala de valoración. Pondera un 5% cada guía mandatoria, que hace un total de un 25%. RELEVANCIA

40

Unidad de Aprendizaje 2 No: Nombre de la Unidad de Aprendizaje:

Análisis y Diseño de Controladores.

Horas:

30

Nivel de dominio de la Unidad Unidad de Competencia de competencia 3

Aprendizaje Esperado

 Analizar controladores On-Off, On-Off con histéresis y PID análogos, a Verifica sintonización de controladores industriales para partir de los requerimientos de sistemas térmicos y de velocidad su aplicación en proyectos de automatización.  Determinar el comportamiento de sistemas reales, a partir de realimentaciones en lazo abierto y cerrado.

CONTENIDOS CONOCIMIENTOS

HABILIDADES  Analiza la existencia de lazos abiertos o cerrados en sistemas térmicos o afín, en base a los valores de valor 1. Tipos de lazos de control deseado y valor medido del sistema.  Calcula el factor de amortiguamiento y frecuencia natural de respuestas de segundo orden a partir de la  Esquema General de un sistema de realimentación de sistemas térmicos reales. control y medida  Modela sistemas térmicos, en base al análisis de tiempos estimados, frecuencia natural y factor de amortiguamiento de respuestas de segundo orden 2. Lugar Geométrico de las raíces  Utiliza Simulink para encontrar la respuesta de sistemas en lazo abierto, lazo cerrado y los compara con los encontrados en Excel a partir de pruebas  Relación entre la ganancia de un realizadas al sistema. controlador y el movimiento de los  Simula en Matlab la variación en la ganancia de un polos en el plano complejo controlador, en base a la función de transferencia de un sistema.  Determina el Lugar Geométrico de las raíces de sistemas térmicos, en base al aumento en la ganancia 3. Características de los sistemas térmicos. de un controlador.  Simula en el ambiente de programación de Matlab,  Seguimiento de señales en paneles de sistemas realimentados con controlador On/Off y control y monitoreo On/Off con histéresis en base a los requerimientos del sistema verificando sus ventajas y desventajas  Planos P&ID de sistemas reales  Determina la Función de Transferencia de un controlador PID a partir de los requerimientos de sistemas térmicos y de velocidad 4. Estabilidad Routh Hurwitz  Diagrama los bloques de lazos de control 5. Características y diferencias entre el control ON- realimentado de sistemas térmicos y de velocidad con OFF y ON-OFF con histéresis controlador PID, en base a las especificaciones de los 6. Estructura de un controlador PID. elementos del sistema

ACTITUDES

 Ser analítico en la verificación de la existencia de lazos abiertos y cerrados frente a sistemas reales.  Ser ordenado en la ejecución de cálculos y algoritmos algebraicos, según tarea a realizar.  Metódico en la construcción de lazos de control utilizando Simulink o Matlab en base a distintos tipos de controladores y procesos  Ser analítico en la verificación de los tipos de controladores a utilizar en función de los requerimientos del proceso.  Ser ordenado en el uso de instrumental de laboratorio.

  

Estudiar la respuesta de los sistemas con controlador PID.

 Determina la respuesta de sistemas térmicos con el uso de Simulink, según los distintos tipos de controladores

Resolver problemas de estabilidad utilizando controladores PID Resolver problemas de estabilidad o compensación en base a perturbaciones aplicando control proporcional, Integrativo, Derivativo (PID).

EVALUACIÓN DE LA UNIDAD DE APRENDIZAJE De Conocimientos Fundamentales: • Diferencia de los lazos de control abierto y cerrado en el comportamiento de sistemas reales • Cálculos del factor de amortiguamiento, frecuencia natural, 95% de la respuesta de un sistema de primer o segundo orden de sistemas reales • Uso de la técnica de estabilidad Routh Hurwitz para determinar la ganancia de controladores en base a la estabilidad de sistemas • Representación de Controladores PID en forma de función de transferencia o diagrama de bloques EVIDENCIAS • Identificación de los comandos y algoritmos utilizados para la determinación de funciones de transferencia de lazos realimentados construidos en Simulink y a su vez determinación de LGR. De Proceso: Desarrollo de tres guías de laboratorios, que contemplan las siguientes evidencias: - Diferencias entre lazos abiertos y cerrados en sistema térmico - Cálculos de factor de amortiguamiento y frecuencia natural de sistemas térmicos - Diseño y construcción de lazos abiertos y realimentados utilizando Simulink - Diseño de gráficos de LGR y respuesta de sistemas ante la entrada de funciones de prueba con el uso de software. De Conocimientos Fundamentales La situación evaluativa corresponde a una prueba escrita, donde el instrumento asociado consta de preguntas de selección múltiple y de desarrollo. Pondera un 15%. INSTRUMENTO De Proceso La situación evaluativa corresponde a ejecuciones prácticas, donde el instrumento asociado a cada guía de laboratorio corresponde a una escala de valoración. Pondera un 5% cada guía mandatoria, que hace un total de un 15%. RELEVANCIA

30

Unidad de Aprendizaje 3 No: Nombre de la Unidad de Aprendizaje:

Aplicación de Controladores a Procesos Industriales.

Horas:

20

Nivel de dominio de la Unidad Unidad de Competencia de competencia

3

Aprendizaje Esperado

Verifica sintonización de controladores industriales para su aplicación en proyectos de automatización.

 Construir controladores e implementarlos en procesos reales, en base al estado del lazo de control del proceso  Diseñar controladores PID Análogos en base a las ganancias calculadas por el método de Routh Hurwitz  Sintonizar controladores PID análogos a partir de los requerimientos de sistemas térmicos y de velocidad

CONTENIDOS CONOCIMIENTOS

1. Análisis comparativo de distintos tipos de procesos

HABILIDADES  Determina el tipo de controlador PID a utilizar en base a las características del proceso.  Calcula la función de transferencia de sistemas realimentados, en base al lazo de control implementado  Calcula las ganancias del controlador a implementar, de acuerdo a las condiciones de

ACTITUDES  Ser analítico en el comportamiento de sistemas reales  Ser ordenado en la ejecución de cálculos y algoritmos algebraicos, según tarea a realizar.

ganancia de un controlador PID y en base a la  Metódico en la construcción de matriz de Routh circuitos electrónicos en base a distintos  Asociación de la velocidad de respuesta  Determina el valor de resistencias a utilizar, en tipos de controladores. de sistemas con definiciones base a las ganancia que constituye a cada  Ser analítico en la verificación de los matemáticas de integral y derivada controlador tipos de controladores a utilizar en  Realiza el esquema a implementar en el proceso función de los requerimientos del térmico proceso.  Analiza un proceso real, en base a niveles de  Metódico en la generación de 2. Calculo de ganancias de controladores voltaje y las señales que maneja, tales como: valor perturbaciones y pruebas al sistema. 3. Análisis de las señales y componentes de un deseado, medido, Actuador.  Ser ordenado en el uso de instrumental proceso de laboratorio.  Utiliza Amplificadores operacionales en distintas configuraciones para construir un controlador, en base al diseño generado  Identificación de los elementos  Conecta el controlador diseñado a un proceso esenciales de un proceso. térmico o de velocidad, en base a las señales  Pruebas de funcionamiento y linealidad existentes de elementos de un lazo de control  Analiza la existencia de control sobre la  Determinación del rango de operación variable de proceso, en base al tipo de controlador de componentes de un proceso elegido  Realiza pruebas experimentales sobre el proceso y grafica en Excel para determinar el 4. Determinación de la amplitud de la señal de método a implementar según Ziegler-Nichols control  Calcula las ganancias del controlador 5. Amplificadores operacionales implementado, de acuerdo a las tablas de ZieglerNichols  Construcción de controlador PID con  Determina los tipos de resistencia a implementar en función de los cálculos de distintas configuraciones de AO. resistencia realizados  Sintoniza el controlador implementado y calcula el porcentaje de mejora de la respuesta del 6. Implementación de controladores a procesos proceso en función de las características del reales proceso  Genera Perturbaciones en el proceso térmico, en función de los límites de funcionamiento del  Escalamiento de señales medidas v/s proceso. Valores deseados



Acondicionamiento de señales de sensores

7. Sintonización de controladores 8. Generación de Perturbaciones



Creación de error en estado permanente

EVALUACIÓN DE LA UNIDAD DE APRENDIZAJE De Conocimientos Fundamentales: Descripción de comportamiento de sistemas Identificación de los elementos esenciales de un proceso. Determinación de la amplitud de la señal de control Determinación del rango de operación de componentes de un proceso Calculo de ganancias de controladores De Proceso: EVIDENCIAS Desarrollo de tres guías de laboratorios, que contemplan las siguientes evidencias: • Análisis del comportamiento de sistemas en cuanto a su velocidad de respuesta • Análisis de la linealidad de componentes esenciales para cerrar un lazo de control • Consumo máximo de energía de componentes constituyentes de un lazo de control • Construcción y sintonización de un controlador PID para estabilizar algún proceso. • Pruebas experimentales para elegir el método a utilizar para sintonizar un controlador. • Generación de perturbaciones al proceso para poner ante el peor de los casos la eficiencia de un controlador ante el error De Conocimientos Fundamentales: La situación evaluativa corresponde a una prueba escrita, donde el instrumento asociado consta de preguntas de selección múltiple y de desarrollo. Pondera un 15%. INSTRUMENTO De Proceso La situación evaluativa corresponde a ejecuciones prácticas, donde el instrumento asociado a cada guía de laboratorio corresponde a una escala de valoración. Pondera un 5% cada guía mandatoria, que hace un total de un 15%. RELEVANCIA

30

4. DESARROLLO DEL CURSO DESCRIPCIÓN GENERAL DEL MÉTODO DE ENSEÑANZA La asignatura se desarrolla con un fuerte énfasis en actividades de ejecución práctica. Las clases se desarrollan en aula, correspondiente a dos horas semanales, y en cada una de las sesiones el docente realiza una inducción previa al trabajo práctico, para ello utiliza diversos métodos didácticos como actividades grupales de no más de 5 estudiantes, análisis de casos, lluvia de ideas, entre otros. Además se contemplan tres horas semanales, correspondiente a las sesiones de ejecución práctica que se realizan en laboratorio 308 de control automático, con un máximo de 20 estudiantes, con el uso de estrategias de aprendizaje basadas en el desarrollo de guías de laboratorio (Recursos de apoyo o didácticos asociados a la asignatura), cuya finalidad es que el estudiante comience con conceptos básicos de la materia vista en el teórico llevando dichos conocimientos a la resolución de problemas complejos a nivel industrial solucionándolos con herramientas avanzadas de ingeniería El docente guía, supervisa y retroalimenta en forma permanente el desarrollo de las guías de laboratorio, donde todos los estudiantes trabajarán la misma guía, en grupos de no más de cinco estudiantes, de acuerdo a protocolos establecidos. Los estudiantes deberán estudiar el marco teórico asociado a cada guía de laboratorio previamente a la realización de la experiencia, considerando que el docente realizará una evaluación diagnóstica al inicio de cada sesión por medio de preguntas directas de los aspectos relacionados al marco teórico, como medio indispensable para optar a la realización de la guía de laboratorio. Durante todo el proceso académico, se realizarán evaluaciones formativas (retroalimentación permanente sin calificación a cada acción llevada a cabo durante las clases), entre ellas autoevaluaciones que se integran en cada una de las guías de laboratorio. Por otra parte, se realizan evaluaciones sumativas (con calificación), correspondientes al desarrollo de cada una de las guías de laboratorio, las cuales contemplan una pauta de evaluación, y evaluaciones planificadas para el término de cada unidad de aprendizaje. Las experiencias de aprendizaje presenciales se complementan con acciones de carácter no presencial (acciones o tareas específicas que desarrolla el estudiante de forma externa a las clases presenciales), como apoyo directo al desarrollo de habilidades establecidos en cada unidad de aprendizaje, tales como; trabajos de investigación grupales o individuales, entre otros, en relación al aprendizaje esperado a desarrollar, con el uso de diversos recursos de información, tales como libros y sitios web.

"Cabe señalar que esta asignatura forma parte de las asignaturas claves del portafolio de título de la carrera de Ingeniería en Electricidad y Automatización Industrial, debiendo, el docente, ejecutar los procedimientos de levantamiento de autoevaluaciones según el instructivo respectivo entregado a los alumnos para tales efectos". RECURSOS BIBLIOGRÁFICOS BIBLIOGRAFÍA OBLIGATORIA  

Dorf; Richard; Sistemas modernos de control; Addison Ogata, Katsuhiko; Ingeniería de Control Moderna; Prentice Hall.

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA          

Bolton, W; Mecratrónica, sistemas de Control Electrónico en Ingeniería Mecánica y Eléctrica; AlfaOmega Bolton, W.; Ingeniería de Control; Alfaomega Creus, A.; Simulación y Control de Procesos por Ordenador; Marcombo; Eronini-Umez; Dinámica de sistemas de control; Thomson Learning; Etter,Delores; Solución de Problemas de Ingeniería con MATLAB; Prentice and Hall; Lladonosa, V; Circuitos básicos de controles de nivel; Marcombo; Lladonosa, V; Programación de Automatas industriales; Alfaomega; Mandado,E.; Controladores lógicos y automátas programables; Marcombo Roca Cusidó, A.; Control de Procesos; Alfaomega; D'Azzo, J., Houpis, C; Linear Control System Analysis and design with Matlab", Marcel Dekker;

RECURSOS DE IMPLEMENTACIÓN E INFRAESTRUCTURA El curso debe contar con los siguientes recursos para la realización de las experiencias: Sala de computación con estandares de la institución Laboratorio de Control y Automatización equipado según ficha LAB/04/024 Máquinas de control de temperatura con los siguientes componentes:  Horno de Calentamiento – Enfriamiento (Unidad PS-2001)  Termocupla tipo J o K más conector  Unidad PS-2160 (Acondicionamiento de señal+ transmisor de 4 a 20 mA)  Software PS-2160 (Display de temperatura)  Conectores para experiencias.  Instrumentos de medición de temperatura, por ejemplo: Multitester Unit-T más termocupla tipo K. RECURSOS DOCENTES Perfil Docente Profesión (Título)

Ingeniero

Años de experiencia laboral 2 Conocimientos teóricos relevantes

Experiencia en Procesos Industriales. Conocimientos de:  Transformada de Laplace y Fourier

   Observación

Diseño de controladores PID Análisis de sistemas ante perturbaciones Redes de compensación

Capacidad de expresar ideas en forma clara y precisa, buena dicción, presentación personal acorde a la función docente.

Perfil Ayudante  Ser alumno de semestre superior al del curso.  Tener evaluación mayor que cinco en el curso y promedio ponderado mayor que 5,0