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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS

PROGRAMA SINTÉTICO CARRERA: Ingeniería en Control y Automatización ASIGNATURA: Teoría de Control I

SEMESTRE:

Quinto

OBJETIVO GENERAL: El alumno aplicará los conceptos básicos del control de sistemas lineales para examinar la respuesta dinámica de un sistema tal que pueda evaluar el desempeño de sistemas de control tanto en tiempo continuo como en la frecuencia.

CONTENIDO SINTÉTICO: I. Conceptos Básicos de Control de Sistemas Lineales II. Análisis en Estado Transitorio III. Análisis en Estado Estable IV. Acciones Básicas de Control V. Análisis de Sistemas Lineales en la Frecuencia

METODOLOGÍA: Investigación documental por el alumno Participación activa de los alumnos en la solución de problemas en clase y extra clase. Exposición por parte del profesor y de los alumnos empleando: presentaciones en power point, acetatos, prototipos, rotafolios

EVALUACIÓN Y ACREDITACIÓN: Se evaluará con tres exámenes departamentales, Primer examen unidades: I y II, Segundo: examen unidades III y IV, Tercer examen: unidad V. La calificación de la teoría será el promedio de los tres exámenes departamentales con un peso de 50%, cada alumno elaborará y entregará un reporte por práctica de laboratorio efectuada y el promedio de las calificaciones obtenidas tendrá un peso del 40%. Participación en clase, tareas, trabajos y actividades extra clase con un valor del 10%. La calificación definitiva será la suma de la obtenida en la teoría, en el laboratorio y; participaciones, tareas, trabajos, y actividades extra clase. Siempre y cuando, la teoría y el laboratorio sean aprobatorios.

BIBLIOGRAFÍA: Howard L. Harrison y John G. Bollinger. Controles Automáticos; Editorial, Trillas; México, 785 pags. Benjamin C. Kuo; Sistemas Automáticos de Control; Ed. Prentice Hall, 1996, Septima Edición; México, 897 pags. Eronini Umez-Eronini; Dinámica de Sistemas y Control; Ed. Thomas Learning, 2001, Primera Edición; México, 993 pags. Katsuhiko Ogata; Ingenieria de Control Moderna; Ed. Prentice Hall, 2002, Cuarta Edición; México, 965 pags. J.J. D’azzo, C.H. Houpins, Feedback Control System Analysis and Synthesis, Ed. Mc Graw Hill, 1966, Second Editión; Japón, 824 pags.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS

ESCUELA: Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

CARRERA:

Ingeniería

en

Control

y

Automatización

OPCIÓN: COORDINACIÓN: DEPARTAMENTO: Académico de Ingeniería en Control y Automatización

ASIGNATURA: Teoría de Control I SEMESTRE: Quinto CLAVE: CRÉDITOS: 10.5 VIGENTE: Agosto 2005 TIPO DE ASIGNATURA: Teórico-Práctica MODALIDAD: Escolarizada

TIEMPOS ASIGNADOS

HRS./SEMANA / TEORÍA: 4.5 HRS./SEMANA / PRÁCTICA: 1.5 HRS./TOTALES / SEMANA: 6

HRS./SEMESTRE / TEORÍA: 81 HRS./SEMESTRE / PRÁCTICA: 27

HRS./TOTALES: 108

PROGRAMA ELABORADO O ACTUALIZADO: POR: Academia de Control y Automatización REVISADO POR: Subdirección Académica. APROBADO POR: Consejo Técnico Consultivo Escolar de la ESIME Zacatenco M. en C. Jesús Reyes García

AUTORIZADO POR: Comisión de Planes y Programas de Estudio del Consejo General Consultivo del IPN

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS

ASIGNATURA:

Teoría de Control I

CLAVE:

HOJA:

2

DE

9

FUNDAMENTACION DE LA ASIGNATURA En la formación del Ingeniero en Control y Automatización, es necesario el dominio del análisis y la síntesis de los sistemas de control, como un medio por el cual el egresado de ésta carrera pueda comprender, analizar y proponer soluciones ante posibles disturbios que se presenten en los sistemas dinámicos. Por esta razón es de gran importancia el estudio de los sistemas de control tanto en estado transitorio como en estado estable, ya sea que el sistema se encuentre operando en tiempo continuo o en la frecuencia. Las asignaturas antecedentes son: Modelado de Sistemas, Electrónica I, Ecuaciones Diferenciales, Teoría de los Circuitos II Las asignaturas consecuentes son: Teoría de Control II, Máquinas Eléctricas II, Electrónica III, Elementos de Transmisión y Control. Las asignaturas colaterales son: Elementos Primarios de Medición, Electrónica II,

OBJETIVO DE LA ASIGNATURA El alumno aplicará los conceptos básicos del control de sistemas lineales para examinar la respuesta dinámica de un sistema tal que pueda evaluar el desempeño de sistemas de control tanto en tiempo continuo como en la frecuencia.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS

ASIGNATURA: No. UNIDAD:

CLAVE:

Teoría de Control I I

NOMBRE:

HOJA:

3

DE

9

Conceptos Básicos de Control de Sistemas Lineales.

OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El alumno describirá los conceptos importantes que intervienen en los sistemas de control, como base para una total comprensión tanto de este curso como de los posteriores de teoría del control.

No. TEMA

HORAS

TEMAS

T 0.5

P

EC 2.0

CLAVE BIBLIOGRÁFICA 1C, 2B, 3B, 4B, 5C

1.1

Concepto de sistema, control, respuesta, etc.

1.2

Estructura de los sistemas de control (laso abierto, laso cerrado)

1.0

1C, 2B, 3B, 4B, 5C

1.3

Concepto de precisión, estabilidad y robustez.

1.0

1C, 2B, 3B, 4B, 5C

1.4

Causalidad de los sistemas.

1.0

2B, 3B, 4B, 5C

1.5

Linealidad de los sistemas superposición.

1.0

1C, 2B, 3B, 4B, 5C

exactitud,

rapidez,

y principio de

ESTRATEGIA DIDÁCTICA Investigación por parte del alumno de sistemas reales y descripción de los conceptos vistos. Solución de ejercicios que permitan al alumno formular y evaluar los conceptos básicos del control de sistemas lineales Tareas y trabajos entregados Búsqueda bibliográfica de nuevos conceptos sugeridos por el profesor

PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN Examen escrito de las unidades I y II con un valor del 50% Participación en clase, tareas, trabajos y actividades extra clase con un valor del 10%.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS

ASIGNATURA: No. UNIDAD:

CLAVE:

Teoría de Control I II

NOMBRE:

HOJA:

4

DE

9

Análisis en Estado Transitorio.

OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El alumno analizará la respuesta transitoria de un sistema de control y la definirá en términos de sus características más importantes como base para el diseño de un sistema de control en laso cerrado.

No. TEMA

TEMAS

HORAS T 1.0

P

EC 3.0

CLAVE BIBLIOGRÁFICA

2.1

Señales normalizadas de prueba (escalón, rampa, impulso, parábola)

2.2

Sistemas propios e impropios.

1.0

2.3

Respuesta y análisis de sistemas de primer orden.

3.0

3.0

1C, 2B, 3B, 4B, 5C

2.4

Respuesta y análisis de sistemas de segundo orden.

4.5

3.0

1C, 2B, 3B, 4B, 5C

2.5

Influencia de los polos dominantes en la respuesta dinámica de un sistema

1.5

2.6

Respuesta y análisis de sistemas de orden superior.

2.5

2.7

Análisis de estabilidad (criterio de Routh)

4.5

1C, 2B, 3B, 4B, 5C 2B, 3B, 4B, 5C

1C, 2B, 3B, 4B, 5C 3.0

1C, 2B, 3B, 4B, 5C 1C, 2B, 3B, 4B, 5C

ESTRATEGIA DIDÁCTICA Solución de ejercicios de aplicación práctica con el uso de la computadora digital Solución de tareas por parte de los alumnos en el salón de clase. Exposición de los temas por el profesor con el auxilio de la computadora digital. Realización de prácticas de laboratorio

PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN Primer examen departamental. De las unidades I y II con un valor del 50% Participación en clase, tareas, trabajos y actividades extra clase con un valor del 10%. Reporte de las prácticas con un valor del 40%.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS

ASIGNATURA: No. UNIDAD:

Teoría de Control I III

NOMBRE:

CLAVE:

HOJA:

5

DE

9

Análisis en Estado Estable

OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El alumno analizará la respuesta en estado estable de un sistema de control y definirá éste en términos de sus características más importantes como base para el diseño de un controlador

No. TEMA

TEMAS

HORAS T 0.5

P

EC 2.0

CLAVE BIBLIOGRÁFICA

3.1

La ecuación del error.

3.2

Clasificación de los sistemas en base al número de polos en el origen (Tipo-0, Tipo-1, etc)

0.5

2B, 3B, 4B, 5C

3.3

El teorema del valor final aplicado al análisis del error de los sistemas de control en régimen permanente.

1.0

2B, 3B, 4B, 5C

3.4

Análisis del error en sistemas Tipo-0, Tipo-1, etc., ante las señales de prueba (constante de error estático)

4.0

3.5

Cálculo de ganancia en base a los coeficientes de error.

3.0

1C, 2B, 3B, 4B, 5C

1.5

ESTRATEGIA DIDÁCTICA Presentar el desarrollo y evaluación de diversos diagramas de magnitud y fase Realización de prácticas Resolución de ejercicios en clase coordinados por el profesor

PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN Participación en clase, tareas, trabajos y actividades extra clase con un valor del 10%. Reporte de práctica de laboratorio con un valor del 40% Examen escrito de las unidades III y IV con un valor del 50%

2B, 3B, 4B, 5C

2B, 3B, 4B, 5C

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS

ASIGNATURA: No. UNIDAD:

Teoría de Control I IV

CLAVE:

HOJA:

6

DE

9

NOMBRE: Acciones Básicas de Control OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD

El alumno analizará el comportamiento de las acciones básicas de control automático, para hacer uso adecuado de ellas y realizar una buena sintonización del controlador industrial más ampliamente usado, como es el PID.

No. TEMA

TEMAS

HORAS T 0.5

P

EC 3.0

CLAVE BIBLIOGRÁFICA

4.1

Control de dos posiciones.

4.2 4.2.1 4.2.2

Control proporcional (P). Concepto de amplificación y ganancia. Error en estado estable.

3.0

2B, 3B, 4B

4.3 4.3.1

Control integral (I). Corrección del error en régimen permanente.

1.5

2B, 3B, 4B

4.4

Control proporcional-integral (PI).

1.0

2B, 3B, 4B

4.5

Acción derivativa (D).

1.0

2B, 3B, 4B

4.6

Control proporcional-integral-derivativo (PID)

3.0

3.0

2B, 3B, 4B

4.7

Sintonización del controlador PID

4.5

3.0

2B, 3B, 4B

4.8

Ejemplos de sistemas controlados con PID

2.0

1.5

2B, 3B, 4B

4.9 4.9.1

Control por laso menor. Efecto estabilizante del laso menor.

3.0

4.10

Análisis de estabilidad de sistemas controlados con las acciones (P), (I), (PI), (PID)

3.0

1C, 2B, 3B, 4B, 5C

1C, 2B 2B, 3B, 4B

ESTRATEGIA DIDÁCTICA Interacción con el profesor atendiendo sus indicaciones: tareas, y exposición Realización de simulaciones con el uso de la computadora como un paso previo en el diseño antes de la implementación práctica. Interacción práctica-teórica con el objeto de desarrollar la observación y el análisis.

PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN Segundo examen departamental, que abarca las unidades III y IV, con un valor del 50%. Participación en clase, tareas, trabajos y actividades extra clase con un valor del 10%. Reporte de práctica de laboratorio con un valor del 40%

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS

ASIGNATURA: No. UNIDAD:

CLAVE:

Teoría de Control I V

NOMBRE:

HOJA:

7

DE

9

Análisis de Sistemas Lineales en la Frecuencia

OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El alumno comprobará mediante el análisis, simulación y pruebas físicas el comportamiento de los sistemas dinámicos de control cuando están sometidos a una entrada de tipo senoidal. No. TEMA

TEMAS

P

Obtención de la respuesta a la frecuencia en forma experimental.

1.0

3.0

2B, 3B, 4B, 5C

Trazo y análisis de sistemas, mediante gráficas polares. Sistemas de primer orden. Sistemas de segundo orden. Sistemas de orden superior. Mapeo de contornos. Aplicación y criterio de estabilidad de Nyquist. Estabilidad relativa (margen de ganancia y margen de fase)

9.0

3.0

2B, 3B, 4B, 5C

Trazo y análisis de sistemas, mediante gráficas logarítmicas. Sistemas de primer orden. Sistemas de segundo orden. Sistemas de orden superior. Estabilidad relativa (margen de ganancia y margen de fase)

8.0

3.0

2B, 3B, 4B, 5C

Relación entre la respuesta temporal y la respuesta en la frecuencia. Lugares de amplitud constante y fase constante. Trazo y análisis de sistemas mediante la carta de Nichols.

1.5

Concepto de ganancia y fase Justificación de la substitución de s por jω.

5.3 5.4

5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4 5.6 5.7 5.8

EC 5.0

CLAVE BIBLIOGRÁFICA

T 1.5 1.0

5.1 5.2

5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5 5.4.6

HORAS

2B, 3B, 4B, 5C

2B, 3B, 4B, 5C

2.5 2.5

ESTRATEGIA DIDÁCTICA Resolución de ejercicios en clase por parte de los alumnos y coordinados por el profesor Tarea y trabajos extra clase Realización de prácticas de laboratorio

PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN Realización del tercer examen departamental que abarca la unidad V, con un valor del 50% Participación en clase, tareas, trabajos y actividades extra clase con un valor del 10%. Reporte de práctica de laboratorio con un valor del 40%

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS

ASIGNATURA: Teoría de Control I

CLAVE:

HOJA:

8

DE

9

RELACIÓN DE PRACTICAS Práctica No. 1

NOMBRE DE LA PRACTICA

UNIDAD

Análisis de sistemas de primer orden (laso abierto y laso cerrado).

II

DURACIÓN [Horas] 3.0

2

Análisis de sistemas de segundo orden (laso abierto y laso cerrado).

II

3.0

3

Análisis de sistemas de orden superior.

II

3.0

4

Regulación de velocidad y análisis del error en un sistema tipo-0 y tipo-1.

III y IV

3.0

5

Análisis de las acciones básicas de control (P, I, D, PI, PID).

IV

3.0

6

Sintonización de controladores PID.

IV

3.0

7

Obtención de la respuesta a la frecuencia mediante pruebas.

V

3.0

8

Respuesta a la frecuencia de sistemas de primer orden en laso abierto y en laso cerrado.

V

3.0

9

Respuesta a la frecuencia de sistemas de segundo orden en laso abierto y en laso cerrado.

V

3.0

LUGAR DE REALIZACIÓN Todas las prácticas se realizarán en el laboratorio de Teoría de Control

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS ASIGNATURA:

Teoría de Control I

CLAVE:

HOJA:

9

DE

9

PERIODO

UNIDAD

PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN

1º

I y II

Evaluación con tres exámenes departamentales el cual tendrá un valor del 50%.

2º

III y IV

Participación en clase, tareas, trabajos y actividades extra clase con un valor del 10%.

V

Cada alumno elaborará y entregará un reporte técnico por práctica de laboratorio efectuada, y el promedio de las calificaciones obtenidas tendrá un peso del 40%.

3º

La calificación definitiva será la suma de la obtenida en la teoría, en el laboratorio y; participaciones, tareas, trabajos, y actividades extra clase. Siempre y cuando, la teoría y el laboratorio sean aprobatorios.

CLAVE

B

1 2

X

3

X

4

X

5

C

BIBLIOGRAFÍA

X

Howard L. Harrison y John G. Bollinger. Controles Automáticos; Editorial, Trillas; México, 785 pags. Benjamin C. Kuo; Sistemas Automáticos de Control; Ed. Prentice Hall, 1996, Septima Edición; México, 897 pags. Eronini Umez-Eronini; Dinámica de Sistemas y Control; Ed. Thomas Learning, 2001, Primera Edición; México, 993 pags. Katsuhiko Ogata; Ingenieria de Control Moderna; Ed. Prentice Hall, 2002, Cuarta Edición; México, 965 pags. J.J. D’azzo, C.H. Houpins, Feedback Control System Analysis and Synthesis, Ed. Mc Graw Hill, 1966, Second Editión; Japón, 824 pags.

X

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS

PERFIL DOCENTE POR ASIGNATURA 1. DATOS GENERALES ESCUELA: Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica CARRERA: Ingeniería en Control y Automatización ÁREA:

BÁSICAS C. INGENIERÍA

ACADEMIA:

D. INGENIERÍA

Control y Automatización

ESPECIALIDAD Y NIVEL ACADÉMICO REQUERIDO:

SEMESTRE

Quinto

C. SOC. y HUM.

ASIGNATURA:

Teoría de Control I

Ingeniero en Control, Ingeniero Electricista, Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica. Preferentemente con posgrado en área afín con la carrera.

2. OBJETIVOS DE LA ASIGNATURA: El alumno aplicará los conceptos básicos del control de sistemas lineales para examinar la respuesta dinámica de un sistema tal que pueda evaluar el desempeño de sistemas de control tanto en tiempo continuo como en la frecuencia.

3. PERFIL DOCENTE: CONOCIMIENTOS • Modelación matemática por medio de ecuaciones diferenciales • Función de transferencia • Álgebra de bloques • Analogía entre sistema. • Estabilidad de sistema • Respuesta a la frecuencia. • Análisis de error • Criterios de estabilidad

EXPERIENCIA PROFESIONAL • En la selección, aplicación, operación y diseño de sistemas de control aplicados a las industrias: petroquímica, alimenticia, manufacturera y química.

HABILIDADES • Comunicación • Establecimiento de climas favorables al aprendizaje. • Transferencia del conocimiento teórico a la solución de problemas. • Análisis y síntesis. • Manejo de grupos. • Realizar analogías y comparaciones en forma simple.

ACTITUDES • Respeto • Compromiso con la sociedad. • Ética • Responsabilidad • Científica • Colaboración • Superación docente y profesional. • Cooperativa • Liderazgo.

ELABORÓ

REVISÓ

AUTORIZÓ

M en C. Fco. J. Villanueva Magaña Profesor de la Academia

Ing. Guillermo Santillán Guevara Subdirector Académico

M. en C. Jesús Reyes García Director del Plantel FECHA:

Diciembre-2004