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

Ingeniería en Control y Automatización Teoría de Control II

SEMESTRE:

Sexto

OBJETIVO GENERAL: El alumno aplicará las técnicas básicas de diseño de las redes de compensación para mejorar la respuesta de los sistemas de control. Así mismo, explicará los efectos no-lineales presentes en los sistemas de control mediante la interpretación y formulación de técnicas clásicas de análisis tal como la linealización, la función descriptiva el plano de fase. CONTENIDO SINTÉTICO: I. Método del Lugar Geométrico de las Raíces. II. Compensación de Sistemas de Control. III. Efectos No-lineales de los Sistemas Físicos. IV. Método de la Función Descriptiva. V. Método del Plano de Fase. METODOLOGÍA: Consulta en libros de texto de unidades o temas por parte del alumno y definidos por el profesor Participación activa de los estudiantes 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: Benjamin C. Kuo; Sistemas Automáticos de Control; Ed. Prentice Hall, 1996, Séptima 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, 995 pags. J.J. D’azzo, C.H. Houpins, Feedback Control System Analysis and Synthesis, Ed. Mc Graw Hill, 1966, Second Editión; Japón, 824 Thaler & Brown, Analysis and Design of Nonlinear Feedback Control Systems, Ed. Mc Graw Hill, 1962, First Edition;E.U.A., 414 pags. David M. Auslander, Introducción a Sistemas y Control, Ed. Mc Graw Hill, 1976, Traducción de la Primera Edición; México, 689 pags. I. J. Nagrat, M. Gopal, Control Systems Engineering, Ed. Jhon Wiley, 1982, Second Edition; India, 491 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 II SEMESTRE: Sexto 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 II

CLAVE:

HOJA:

2

DE

9

FUNDAMENTACION DE LA ASIGNATURA Un aspecto importante que todo Ingeniero en Control y Automatización debe dominar, se relaciona con el diseño y análisis de los sistemas de control, teniendo una gran trascendencia el aspecto de la compensación de los sistemas, ya que desde el punto de vista del control, ésta permitirá que los procesos industriales trabajen dentro de los estándares de calidad que demanden. Por esta razón el curso de Teoría de Control II abarca estos temas y proporciona las bases necesarias para que el alumno pueda desarrollar más adelante el conocimiento detallado de los sistemas de control. Por otro lado, es importante que el alumno tenga presente que aún cuando idealmente los componentes de los sistemas de control se consideran lineales, o bien se encuentran operando en puntos de operación fijos, en realidad los sistemas poseen diversos efectos no lineales que es necesario conocer. Por lo tanto, es necesario que el Ingeniero en Control y Automatización conozca métodos de análisis para cuando estos efectos no lineales sean considerables y no se puedan omitir en el diseño de un sistema de control. Las asignaturas antecedentes son: Variable Compleja y Transformadas de Fourier y Z, Teoría de Control I, Electrónica II, Máquinas Eléctricas I, Teoría de los Circuitos I y Teoría de los Circuitos II. Las asignaturas consecuentes son: Teoría del Control III, Instrumentos Analíticos de Medición. Las asignaturas colaterales son: Electrónica III, Máquinas Eléctricas II, Elementos de Transmisión y Control.

OBJETIVO DE LA ASIGNATURA El alumno aplicará las técnicas básicas de diseño de las redes de compensación para mejorar la respuesta de los sistemas de control. Así mismo, explicará los efectos no-lineales presentes en los sistemas de control mediante la interpretación y formulación de técnicas clásicas de análisis tal como la linealización, la función descriptiva el plano de fase.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS ASIGNATURA: No. UNIDAD:

Teoría de Control II I

NOMBRE:

CLAVE:

HOJA:

3

DE

9

Método del Lugar Geométrico de las Raíces.

OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El alumno describirá las técnicas de análisis, pruebas experimentales y procedimientos de diseño, utilizados en la construcción, operación y compensación de los sistemas de control.

No. TEMA

HORAS

TEMAS

T 1.5

P

EC 3.0

CLAVE BIBLIOGRÁFICA

1.1

Introducción y bases para el estudio de los sistemas de control mediante el método del lugar geométrico de las raíces.

1.2

El método del lugar de las raíces, reglas para su construcción y ejemplos.

4.5

1B, 2C, 3B, 4B

1.3

Relación del lugar geométrico de las raíces con la respuesta temporal y la respuesta a la frecuencia en los sistemas de control.

2.5

1B, 2C, 3B, 4B

1.4

Aplicación del método del lugar de las raíces para determinar los diferentes comportamientos de un sistema de control

4.5

1B, 2C, 3B, 4B

1.5

Lugar de las raíces de un controlador PID

2.5

1B, 2C, 3B, 4B

1.6

Lugar de las raíces de sistemas retroalimentación en laso menor.

2.5

1B, 2C, 3B, 4B

con

1B, 2C, 3B, 4B

ESTRATEGIA DIDÁCTICA Investigación por parte del alumno de sistemas reales en los cuales pueda describir los conceptos vistos. Solución de ejercicios que permitan al alumno formular y evaluar los conceptos básicos del método del lugar geométrico de las raíces. 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 II II

NOMBRE:

HOJA:

4

DE

9

Compensación de Sistemas de Control.

OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El alumno calculará los parámetros básicos de diseño, y seleccionará los valores de las redes de compensación para mejorar la respuesta dinámica de un sistema.

No. TEMA

TEMAS

HORAS T 1.5

P

EC

CLAVE BIBLIOGRÁFICA

2.1 2.1.1

Bases para la compensación de los sistemas. Características de la compensación en serie y en retroalimentación.

2.2

Elementos compensadores y su implementación física.

1.5

2.3 2.4 2.5

Red de compensación en atraso de fase. Red de compensación en delante de fase. Red de compensación en atraso-adelanto de fase.

1.5 1.5 1.5

2.6

Redes”T”

1.5

2.7 2.7.1

6.0

1.5

1B, 2C, 3B, 4B

2.7.2

Compensación en serie. Diseño usando gráficas de respuesta a la frecuencia. Diseño usando el lugar de las raíces.

2.8 2.8.1

Compensación en retroalimentación. Diseño usando el lugar de las raíces.

3.0

1.5

1B, 2C, 3B, 4B

1B, 2C, 3B, 4B

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

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

ESTRATEGIA DIDÁCTICA Solución de ejercicios de aplicación práctica con el uso de la computadora, integración y evaluación de los conceptos del método del lugar de las raíces con la compensación de sistemas de control. 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. 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:

CLAVE:

Teoría de Control II III

NOMBRE:

HOJA:

5

DE

9

Efectos No-lineales de los Sistemas Físicos

OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El alumno describirá y analizará tanto los efectos no lineales presentes en los sistemas de control, como su respuesta ante una señal del tipo senoide.

No. TEMA

HORAS

TEMAS sistemas

T 1.5

P

EC 3.0

CLAVE BIBLIOGRÁFICA

3.1

Diferencias principales entre los lineales y los sistemas no-lineales

1B, 2C, 5B, 6C, 7C

3.2 3.2.1 3.2.2

Linealización Sistemas univariables. Sistemas multivariables.

4.0

1B, 2C, 3B, 5B, 6C, 7C

3.3

Linealización de curvas de operación.

1.5

5B, 6C

3.4 3.4.1

Características y modelo de no linealidades típicas y combinadas. Saturación, zona muerta, histéresis, juego mecánico, fricción (estática, viscosa, de Coulomb), relevador ideal, cuantificador, etc.

3.0

3.0

1B, 2C, 5B, 6C, 7C

3.5

Curvas de respuesta de las no linealidades.

4.0

3.0

1B, 2C, 5B, 6C, 7C

ESTRATEGIA DIDÁCTICA Investigación por parte del alumno de sistemas reales, identificación y descripción de los efectos no lineales existentes en tales sistemas. Investigación por parte del alumno de sistemas reales regidos por curvas de operación tal que proponga su modelo linealizado. Solución de ejercicios que permitan al alumno formular y verificar los efectos no lineales en los sistemas físicos. 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%

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS ASIGNATURA: No. UNIDAD:

Teoría de Control II IV

NOMBRE:

CLAVE:

HOJA:

6

DE

9

Método de la Función Descriptiva

OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El alumno aplicará el método de la función descriptiva para el análisis de sistemas no lineales en el dominio de la frecuencia.

No. TEMA

HORAS

TEMAS

T 2.0

4.1 4.1.1

Introducción a la función descriptiva. Definición, cálculo de coeficientes, limitaciones.

4.2

Desarrollo de funciones diversas no linealidades.

4.3

Análisis de la estabilidad de sistemas no-lineales mediante la función descriptiva (gráficas e interpretación) Servomecanismos con efectos no lineales.

5.0

Compensación mediante el lugar de la función descriptiva.

3.0

4.3.1 4.4

descriptivas

para

P

8.0

EC 2.0

CLAVE BIBLIOGRÁFICA 1B, 2C, 5B, 6C, 7C 1B, 2C, 5B, 6C, 7C

3.0

1B, 2C, 5B, 6C, 7C

1B, 2C, 5B, 6C, 7C

ESTRATEGIA DIDÁCTICA Interacción entre el profesor y el alumno a través de tareas, exposiciones, orientaciones y ayudas para la solución conjunta de ejercicios. Realización de prácticas 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 II V

NOMBRE:

HOJA:

7

DE

9

Método del Plano de Fase

OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El alumno explicará el comportamiento de los sistemas dinámicos no lineales en el dominio del tiempo usando el plano de fase.

No. TEMA

TEMAS

HORAS

El espacio n-dimensional.

T 1.0

P

5.1 5.2

El plano de fase en sistemas lineales.

1.0

1.5

5.3

Trazo de la trayectoria de fase mediante el método de las isoclinas.

2.5

1B, 2C, 3B, 5B, 6C

5.4

Puntos singulares y comportamiento dinámico del sistema.

1.0

1B, 2C, 3B, 5B, 6C, 7C

5.5

El plano de fase en sistemas no lineales.

1.5

1B, 2C, 3B, 5B, 6C

5.6 5.6.1

Ciclos limite Definición, tipos, determinación.

1.0

1B, 2C, 3B, 5B, 6C

5.7

Obtención de la respuesta transitoria de un sistema no lineal a partir de su trayectoria de fase.

2.0

1.5

1B, 2C, 3B, 5B, 6C

5.8

Análisis de sistemas no lineales mediante el plano de fase. Servomecanismos con efectos no.lineales.

3.0

3.0

1B, 2C, 3B, 5B, 6C

5.8.1

EC 3.0

CLAVE BIBLIOGRÁFICA 1B, 2C, 3B, 5B, 6C 1B, 2C, 3B, 5B, 6C

ESTRATEGIA DIDÁCTICA Verificación de hipótesis y desarrollo de los temas aplicando estrategias tanto analíticas como de simulación digital en la resolución de los problemas. Interacción teórico-práctica con servomecanismos que permitan su análisis mediante el plano de fase. 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 II

CLAVE:

HOJA:

8

DE

9

RELACIÓN DE PRACTICAS Práctica No. 1

NOMBRE DE LA PRACTICA

UNIDAD

Compensación por atraso de fase de un sistema físico.

II

DURACIÓN [Horas] 3.0

2

Compensación por adelanto de fase de un sistema físico.

II

3.0

3

Compensación por atraso-adelanto de fase de un sistema físico.

II

3.0

4

Simulación de redes de compensación en computadora personal y compensación de sistemas.

II

3.0

III

3.0

6

Simulación de las curvas de respuesta de no linealidades en la computadora personal.

III

3.0

7

Obtención y análisis de la respuesta de un servo-sistema controlado por un relevador.

IV

3.0

8

Obtención experimental del plano de fase de sistemas físicos, con y sin efectos no lineales.

V

3.0

9

Simulación y análisis de sistemas no lineales mediante el plano de fase en la computadora personal.

V

3.0

5

la

Obtención experimental de la característica estática y la característica dinámica de no linealidades.

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 II

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

X

2

C

X

3

X

4

X

5

X

6

X

7

X

BIBLIOGRAFÍA 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, 995 pags. J.J. D’azzo, C.H. Houpins, Feedback Control System Analysis and Synthesis, Ed. Mc Graw Hill, 1966, Second Editión; Japón, 824 Thaler & Brown, Analysis and Design of Nonlinear Feedback Control Systems, Ed. Mc Graw Hill, 1962, First Edition;E.U.A., 414 pags. David M. Auslander, Introducción a Sistemas y Control, Ed. Mc Graw Hill, 1976, Traducción de la Primera Edición; México, 689 pags. I. J. Nagrat, M. Gopal, Control Systems Engineering, Ed. Jhon Wiley, 1982, Second Edition; India, 491 pags.

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:

Control y Automatización

ESPECIALIDAD Y NIVEL ACADÉMICO REQUERIDO:

SEMESTRE

D. INGENIERÍA

Sexto

C. SOC. y HUM.

ASIGNATURA:

Teoría de Control II

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

2. OBJETIVOS DE LA ASIGNATURA: El alumno aplicará las técnicas básicas de diseño de las redes de compensación para mejorar la respuesta de los sistemas de control. Así mismo, explicará los efectos no-lineales presentes en los sistemas de control mediante la interpretación y formulación de técnicas clásicas de análisis tal como la linealización, la función descriptiva el plano de fase. 3. PERFIL DOCENTE: CONOCIMIENTOS • • • • • • •

EXPERIENCIA PROFESIONAL Compensación de • En la selección, sistemas. aplicación, operación y diseño de sistemas de Efectos no lineales control multivariables Linealización aplicados a las Función descriptiva industrias: petroquímica, Plano de fases alimenticia, Estabilidad y ciclos manufacturera y limite química. Variables y ecuación de estado.

HABILIDADES • Comunicación • Establecimiento de climas favorables al aprendizaje. • Transferencia del conocimiento teórico a la solución de problemas. • Análisis y síntesis. • Para motivar al auto estudio, el razonamiento y la investigación. • Manejo de grupos. • Realizar analogías y comparaciones en forma simple.

ACTITUDES • • • • • • • • • • • •

Critica fundamentada Respeto Tolerancia Compromiso con la docencia. Ética Responsabilidad Científica Colaboración Superación docente y profesional. Cooperativa Liderazgo. Compromiso Social

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