Guía docente de la asignatura

CONTROL POR COMPUTADOR

Titulación: GRADO EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA

Curso 2012-2013

Guía Docente 1. Datos de la asignatura

Nombre Control por computador

Materia TÉCNICAS DE CONTROL

Módulo ESPECIFICAS

Código 507103003

Titulación/es GRADO EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA

Plan de estudios 2009

Centro Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial

Tipo Básica

Periodo lectivo Primer Cuatrimestre Curso 3º

Idioma Español

ECTS 4.5 Horas / ECTS 30 Carga total de trabajo (horas) 135

Horario clases teoría ver información oficial actualizada

de la ETSII Aula ver información oficial

actualizada de la ETSII

Horario clases prácticas ver información oficial actualizada

de la ETSII Lugar Laboratorio de Control

del DISA

2. Datos del profesorado

Profesor responsable Juan Ignacio Mulero Martínez

Departamento Ingeniería de Sistemas y Automática (DISA)

Área de conocimiento Ingeniería de Sistemas y Automática

Ubicación del despacho 1ª planta Hospital de la marina. Patio de la Izquierda

Teléfono +34 968 326567 Fax +34 968 325355

Correo electrónico juan.mulero@upct.es

URL / WEB Aula Virtual UPCT

Horario de atención / Tutorías A determinar en cada cuatrimestre

Ubicación durante las tutorías Despacho indicado más arriba

3. Descripción de la asignatura

3.1. Presentación La asignatura Control por Computador es de carácter básica integrándose en el cuerpo de materias comunes de la ingeniería industrial. El objetivo de esta materia es dotar al alumno de un buen conocimiento sobre la implementación de técnicas digitales para el diseño de controladores. El análisis de sistemas discretos se enmarca dentro de la Teoría de Sistemas Discretos por lo que además de los conocimientos específicos dentro del ámbito de control también se aportan herramientas y técnicas que son aplicables a otras especialidades de la ingeniería.

3.2. Ubicación en el plan de estudios La asignatura “Control por Computador” representa la prolongación natural de la asignatura de segundo curso “Regulación Automática”; también podemos entenderla como la contraparte discreta de la teoría continua descrita en “Regulación Automática”. Se encuentra ubicada justamente en el primer cuatrimestre del tercer curso con la intención de proporcionar el conocimiento necesario para la asignatura “Ingeniería de Control”, que se imparte en el mismo cuatrimestre, donde se amplían las técnicas de análisis y diseño en el dominio de la frecuencia tanto para sistemas continuos como discretos. Dado que los sistemas se describen con ecuaciones diferenciales y éstas se simulan numéricamente mediante un proceso de discretización (transformación a ecuaciones en diferencias), la conexión con la asignatura de tercer curso “Modelado y Simulación de Sistemas” es notable.

3.3. Descripción de la asignatura. Adecuación al perfil profesional El extraordinario desarrollo de los microprocesadores y microcontroladores digitales así como su amplia utilización en los sistemas de control, en todos los campos de aplicación, ha impulsado cambios importantes en el diseño de los sistemas de control. El rendimiento y bajo coste de estos dispositivos los hace apropiados para el diseño de sistemas de control. La realidad es que la mayoría de los controladores en el mundo industrial se implementan

mediante sistemas digitales.

La principal ventaja de los sistemas digitales frente a los analógicos es la capacidad de rechazo de ruido. Los controladores digitales son fáciles de implementar y modificar (basta con cambiar simplemente coeficientes), y además podemos conseguir una precisión deseada mediante una selección adecuada del número de bits de resolución. Además las funciones de transferencia en términos de unidades de retardos son fácilmente implementables mediante técnicas recursivas.

Para aprovechar las capacidades de los microprocesadores no es suficiente con reproducir el comportamiento de los controladores analógicos sino que es necesario implementar técnicas específicas de control desarrolladas para sistemas controlados por computador.

3.4. Relación con otras asignaturas. Prerrequisitos y recomendaciones Aquí los desarrollos teóricos son relevantes para la comprensión tanto del análisis como del diseño de sistemas discretos de control. Como cualquier diseño en ingeniería, el diseño de sistemas de control requiere de muchos cálculos que se pueden ver aliviados mediante la utilización de herramientas de diseño de sistemas de control asistidas por ordenador (CACSD).

El carácter secuencial de esta asignatura hace necesario que el alumno haya alcanzado ciertas competencias necesarias superando la asignatura “Regulación Automática”.

La asignatura proporciona el conocimiento fundamental para otras asignaturas dentro del área de conocimiento tales como “Modelado y Simulación de Sistemas” o “Ingeniería de

Control”.

3.5. Medidas especiales previstas Se han previsto medidas especiales que permitan la integración de alumnos que deben simultanear los estudios con el trabajo. Aunque no es posible un seguimiento totalmente a distancia de la asignatura, ya que eso impediría formar al alumno y evaluar la consecución de muchas de las competencias que se tiene previsto alcanzar o mejorar con esta asignatura, se ha planificado la creación de grupos de trabajo cooperativo con este tipo de alumnos, apoyándose en el entorno virtual de Moodle y haciendo un especial hincapié en las tutorías de grupo para su seguimiento.

4. Competencias

4.1. Competencias específicas de la asignatura (según el plan de estudios) Conocimientos de regulación automática y técnicas de control y su aplicación a la automatización industrial. Capacidad para diseñar sistemas de control y automatización industrial.

4.2. Competencias genéricas / transversales (según el plan de estudios) COMPETENCIAS INSTRUMENTALES.

T1.1. Capacidad de análisis y síntesis. T1.2. Capacidad de organización y planificación. T1.3. Comunicación oral y escrita en lengua propia. T1.7. Resolución de problemas. COMPETENCIAS PERSONALES.

T2.1. Capacidad crítica y autocrítica. T2.2. Trabajo en equipo. COMPETENCIAS SISTÉMICAS.

T3.1. Capacidad para aplicar los conocimientos a la práctica. T3.2. Capacidad de aprender. T3.7. Habilidad de realizar trabajo autónomo. T3.9. Preocupación por la calidad.

4.3. Objetivos generales / competencias específicas del título (según el plan de estudios) E1.2. Conocimientos en materias tecnológicas para la realización de mediciones,

cálculos, valoraciones, tasaciones, peritaciones, estudios, informes, planes de labores y

otros trabajos análogos.

4.4. Resultados esperados del aprendizaje Al finalizar la asignatura el alumno deberá ser capaz de:

1. Comprender las características de los sistemas discretos y diferenciarlas de los sistemas continuos.

2. Implementar Controladores discretos.

3. Analizar el comportamiento de un sistema discreto.

4. Diseñar reguladores discretos.

5. Aplicar las herramientas matemáticas desarrolladas en esta asignatura a otras áreas de conocimiento.

6. Razonar adecuadamente las posibles soluciones de un problema de control.

Las actividades de enseñanza/aprendizaje planificadas permitirán que el alumno desarrolle las competencias relacionadas con la capacidad de trabajo en equipo ya que una gran parte de los trabajos que se desarrollarán se harán en equipos de diferente tamaño (en función del trabajo) con realimentación hacia el alumno del rendimiento del grupo, análisis y síntesis de información mediante el manejo de textos largos y complejos que deben sintetizarse y a partir de los cuales es necesario obtener datos, expresión escrita y preocupación por la calidad mediante la obligatoriedad de presentar informes cuya redacción e imagen serán realimentadas y consideradas en la evaluación del mismo,

5. Contenidos

5.1. Contenidos (según el plan de estudios) Muestreo y retención. Análisis de sistemas en tiempo discreto. Discretización de reguladores continuos. Síntesis directa de controladores digitales. Implantación de sistemas de control en tiempo discreto.

5.2. Programa de teoría U.D.1. Introducción al Control Digital.

1.1. Objetivo de un Sistema de Control. Lazo Abierto versus Lazo Cerrado.

1.2. Clasificación de Señales. Proceso de Muestreo. Retención. Cuantización. Codificación.

1.3. Descripción de los Sistemas de Control Digital. Muestreadores. Retenedores. Conversores A/D, D/A.

1.4. Cuantificación y Errores de Cuantificación.

U.D.2. Señales y Sistemas Discretos.

2.1. Señales de Datos Muestreados y Secuencias.

2.2. Señales Generadoras y de Excitación.

2.3. Representación en Impulsos.

2.4. Sistemas Discretos. Propiedades.

2.5. Sistemas Lineales Invariantes en el Tiempo (LTI). Suma de Convolución. Propiedades de la Suma de los LTI.

2.6. Sistemas Descritos por Ecuaciones en Diferencia. Representación en Diagramas de Bloques.

U.D.3. El Teorema del Muestreo de Shannon.

3.1. Respuesta de Sistemas LTI a Exponenciales Complejas. El Concepto de Respuesta en Frecuencia.

3.2. Representación de Señales Periódicas. La Serie de Fourier.

3.3. Representación de Señales Aperiódicas. La Transformada de Fourier.

3.4. Señales Periódicas y la Transformada de Fourier en Tiempo Continuo.

3.5. Representación de una Señal en Tiempo Continuo mediante sus Muestras. El Teorema del Muestreo.

3.6. Reconstrucción de Señales Muestreadas mediante Interpolación.

3.7. El Efecto del Solapamiento de Espectros.

3.8. Procesamiento en Tiempo Discreto de Señales en Tiempo Continuo.

U.D.4. La Transformada Z.

4.1. Definición y Región de Convergencia.

4.2. La Transformada Z Inversa. Método de Evaluación de la Integral de Contorno. Método de Expansión en Fracciones Parciales. Método de División Larga.

4.3. Propiedades.

4.4. Análisis y Caracterización de los Sistemas LTI usando la transformada Z.

4.5. Transformaciones entre Sistemas en Tiempo Continuo y Sistemas en Tiempo Discreto.

4.6. La Transformada Z Unilateral.

4.7. Aplicación de la Transformada Z en la Solución de Ecuaciones en Diferencia.

U.D.5. Sistemas de Datos Muestreados.

5.1. Proceso de Muestreo por un Tren de Impulsos. Operador Muestreo y su Transformada.

5.2. Conexión entre la Transformada de Laplace de Señales de Datos Muestreados y la Transformada Z de Secuencias. Evaluación de la Transformada Z por el Método de Señales Muestreadas.

5.3. Proceso de Retención y su Transformada.

5.4. Cálculo de la Transformada de Laplace de una Señal de Datos Muestreados a partir de la Integral de Convolución.

5.5. Función de Transferencia. Conexión en Serie y con Realimentación. Controladores Digitales. Controlador PID Digital.

5.6. Cálculo de la Respuesta entre Instantes de Muestreo Consecutivos. El Método de la Transformada de Laplace y el Método de la Transformada Z Modificada.

U.D.6. Análisis Transitorio y Estacionario de Sistemas Discretos.

6.1. Análisis Transitorio. Especificaciones de Diseño en el Plano Z.

6.2. Análisis Estacionario. Errores en Estado Estacionario y Tipología de Sistemas.

6.3. Estabilidad. Criterios de Schur-Cohn y de Jury. Transformación Bilineal y el Criterio de Routh.

U.D.7. Diseño Utilizando Técnicas de Transformación.

7.1. Diseño por Emulación. Controladores Equivalentes Discretos. Evaluación del Diseño.

7.2. Diseño Directo mediante el Lugar de las Raíces.

7.3. Método Directo de Ragazzini.

5.3. Programa de prácticas Sesión I.- Secuencias y Sistemas Discretos. Sesión II.- Transformada Z. Sesión III.-Realización de Controladores Digitales. Sesión IV.-Régimen Transitorio y Estacionario. Sesión V. Diseño de Controladores Digitales.

5.4. Programa resumido en inglés (opcional) 1. Introduction to Digital Control. 2. Discrete Signals and Discrete Systems. 3. Shannon’s Theorem. 4. The Z Transform. 5. Data-Sampled Systems. 6. Transient Behavior and Steady State Behavior of Discrete Systems. 7. Design using Transform Techniques.

6. Metodología docente

6.1. Actividades formativas Actividad Descripción de la actividad Trabajo del estudiante ECTS Clase de teoría Clase expositiva basada en la técnica

de la lección magistral con variantes de aprendizaje cooperativo informal. Resolución de dudas planteadas por los estudiantes.

Presencial: Toma de apuntes. Planteamiento de dudas. Realización de actividades de aprendizaje cooperativo informal.

1

No presencial: Estudio de la materia 1

Clase de problemas.

Se resolverán problemas categorizados según niveles de dificultad. Se hará un especial énfasis en los procedimientos de resolución comunes a familias de problemas con la finalidad de que el alumno adquiera destreza a la hora de manejar los conceptos planteados en clases teóricas. Se valorará la capacidad de discusión de los resultados así como los aspectos cuantitativos y cualitativos de las soluciones. Los alumnos resolverán problemas de forma grupal con la ayuda del profesor. De manera subsidiaria se propondrán comandos del paquete informático de control para que el alumno pueda verificar rápidamente sus resultados.

Por cada tema el profesor planteará dos problemas que deberán ser entregados para su evaluación.

Presencial: Participación activa. Resolución de ejercicios. Planteamiento de dudas.

0.25

No presencial: Estudio de la materia. Resolución de ejercicios propuestos por el profesor tanto en clase como en la bibliografía.

0.25

Clase de prácticas de laboratorio

Las clases prácticas de laboratorio permite la utilización de equipos que hacen posible el planteamiento de casos muy parecidos a los reales. También permite el planteamiento de situaciones, casos, ejemplos y problemas que enlazan directamente los contenidos teóricos y prácticos de la asignatura. Los puestos de trabajo de los laboratorios están dotados de equipos informáticos que permiten también el desarrollo de habilidades computacionales y el manejo de programas profesionales.

Presencial: Manejo de herramientas de diseño de sistemas de control asistido por ordenador (CACSD).

0.25

No presencial: El alumno realizará un trabajo no presencial tanto antes como después de la sesión de laboratorio. Con antelación a dicha sesión, el alumno deberá resolver algunos problemas que se le plantearán para prepararlo en la resolución de la práctica.

0.25

Seminarios de problemas y otras actividades de trabajo cooperativo

Se realizarán seminarios de problemas a lo largo del curso. Los alumnos trabajan en grupo para resolver un conjunto de problemas con el apoyo del profesor que aclarará conceptos y resolverá dudas.

Presencial: Resolución de los problemas. Explicación del método de resolución a los compañeros.

0.3

Tutorías individuales y de grupos

Habrá tutorías tanto individuales como en grupo, con objeto de resolver problemas puntuales individuales y realizar un seguimiento del trabajo de los grupos, así como resolver dudas de éstos grupos, que permita evaluar ciertas competencias, y que serán tenidas en cuenta en la evaluación final dentro de uno de los tres bloques de evaluación.

Presencial: Planteamiento de dudas y colaboración en el seguimiento del aprendizaje del grupo.

0.1

No presencial: Planteamiento de dudas mediante correo electrónico. 0.1

Exámenes

Se realizarán varias pruebas escritas de tipo individual. Estas pruebas están distribuidas a lo largo del cuatrimestre.

Presencial: Resolución de problemas y cuestiones teórico prácticas. 0.25

No presencial: Preparación de los exámenes. 0.4 Presentación de Exposición de trabajos asignados con

carácter individual o en grupo, y Presencial: Exposición de trabajos. 0.1 No presencial: Elaboración de trabajos 0.25

trabajos defensa en público

44.5

7. Evaluación

7.1. Técnicas de evaluación

Instrumentos Realización / criterios Ponderación Competencias

genéricas (4.2)evaluadas

Resultados (4.4) evaluados

Pruebas escritas individuales

Cada prueba escrita estará constituida por dos partes: una de cuestiones teórico-prácticas y una segunda de problemas. La primera parte consistirá en cuatro cuestiones de aplicación directa. La segunda parte será la realización de dos problemas que combinan diferentes partes de la asignatura.

70% de la nota final, aunque será imprescindible obtener al menos un 5 sobre 10 para superar la asignatura.

T1.1, T1.3, T1.7 y T3.2.

3, 4, 5, 6 y 7

Examen de prácticas de laboratorio

Los alumnos resolverán un pequeño examen sobre cuestiones vistas en las sesiones de prácticas. Se valorarán las destrezas y habilidades para el manejo de los equipos

5% T1.2, T1.3, T2.1, T2.2, T2.3, T3.2, T3.7 y T3.9

Todos

Resolución de Problemas

Por cada tema el profesor propondrá dos problemas a ser resueltos por el alumno.

10% T1.2, T1.3, T1.5, T2.2, T3.1, T3.9 y E1.2

3, 4, 5, 6 y 7

Controles Se realizarán dos controles en el transcurso del curso sobre contenidos teórico-

10% T1.1, T1.3, T1.7 y T3.2.

3, 4, 5, 6 y 7

prácticos. Estos controles serán corregidos en clase como técnica de evaluación del aprendizaje y seguimiento del grado de asimilación de los contenidos.

Trabajos específicos El alumno desarrollará ciertos temas específicos de la materia.

5% T1.2, T1.3, T1.5, T2.2, T3.1, T3.9 y E1.2

3, 4, 5, 6 y 7

7.2. Mecanismos de control y seguimiento El seguimiento y control del aprendizaje del alumno se realizará a través de las siguientes actividades:

• Controles: Se realizarán dos controles de la asignatura al final de la tercera unidad didáctica y de la sexta unidad didáctica. corresponderá a dos exámenes parciales que se realizarán al final de la segunda unidad didáctica y al final de la tercera, respectivamente. Los controles valorarán la adquisición por parte del alumno de las competencias específicas de la materia. El peso de esta parte de la evaluación es del 10%. Estos controles se aprueban con una nota de 5 puntos sobre 10 y permiten la eliminación de un 10% del examen final siempre que se superen. Si la nota es inferior a 5 puntos o si el alumno desea mejorar esa parte podrá realizar la parte correspondiente del examen final. Estos controles se equiparan a una cuestión teórico-práctica del examen final.

• Examen final: Se realizará un examen final de la asignatura. El alumno deberá obtener una nota mínima de 5 puntos sobre 10 para poder superar la asignatura. La prueba será convocada públicamente con una antelación de al menos quince días a la fecha del examen. En dicha convocatoria se fijarán todos los detalles de la prueba. En dicha prueba

se valorarán, no sólo los conocimientos específicos de la asignatura, sino también las competencias transversales T1.1, T1.3, T1.7 y T3.2. Esta prueba supone el 70% de la nota final.

• Examen de prácticas. Se efectuará un examen de prácticas donde se valorarán tanto los conocimientos adquiridos como las competencias transversales T1.2, T1.3, T2.1, T2.2, T2.3, T3.2, T3.7 y T3.9. Las prácticas representan el 5% de la nota final de la asignatura.

• Cuestiones y actividades planteadas en las clases presenciales, actividades de Aprendizaje Colaborativo informal por grupos, resolución de problemas y realización de trabajos desarrollados en grupos de tres alumnos fuera del aula. Con este grupo de actividades se pretende valorar, además de las competencias específicas de la asignatura, las competencias transversales T1.2, T1.3, T2.1, T2.2, T2.3, T3.2, T3.7 y T3.9. La valoración conjunta de estas actividades tendrá un peso en la nota final del 15%.

8. Recursos y bibliografía

9.1. Bibliografía básica

Señales y Sistemas. Alan V. Oppenheim, Alan S. Willsky. Ed. Prentice Hall. 1994.

Tratamiento Digital de Señales. John G. Proakis, Dimitris G. Manolakis. Ed. Prentice Hall. 2007.

Sistemas de Control en Tiempo Discreto. Katshuiko Ogata. Ed. Prentice Hall. 1995.

Digital Control of Dynamic Systems. Gene F. Franklin, J. David Powell, Michael Workman. Ed. Addison-Wesley. 1998. Control de Sistemas Discretos. Óscar Reinoso García, José María Sebastián y Zúñiga, Fernando Torres Medina, Rafael Aracil Santoja. Ed. McGraw-Hill. Serie Schaum. 2004

9.2. Bibliografía complementaria

Sampled-Data Control Systems. Eliahu I. Jury. Ed. John Wiley & Sons. 1958.

Theory and Application of the Z-Transform Method. Eliahu I. Jury. Ed. John Wiley & Sons. 1964.

Digital Control. Kannan M. Moudgalya. Ed. John Wiley & Sons. 2007. Digital Control Systems. Benjamin C. Kuo. Ed. Oxford University Press. 1992.

9.3. Recursos en red y otros recursos Asignatura en el aula virtual. Contenidos:

• Apuntes de temas de la asignatura.

• Colecciones de cuestiones y problemas de cada uno de los temas de la asignatura.

• Cuestiones y problemas resueltos.

• Manuales utilizados en las prácticas de la asignatura.

• Introducción de las prácticas de laboratorio a desarrollar durante el curso.

Comité Español de Automática CEA: http://www.cea-ifac.es/noticias/noticias/

RIAI: Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial: http://riai.isa.upv.es/

ISA Sección Española: http://www.isa-spain.org/

Revista Automática e Instrumentación:

http://www.grupotecnipublicaciones.com/publicaciones/automatica-e-instrumentacion.html

IEEE Control Systems Society: http://www.ieeecss.org/main/