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Sistemas Realimentados

Este curso brinda una introducción a técnicas de análisis y diseño de sistemas retroalimentados. Mediante el modelamiento de sistemas en las áreas de Ciencia e Ingeniería (sistemas tecnológicos, así como también físicos, biológicos y sociales), se pretende que el estudiante diseñe y analice las relaciones de causa y efecto que determinan la evolución sistemas a través del tiempo. Las técnicas de análisis y diseño se basan en ecuaciones diferenciales y de diferencia. El uso de técnicas computacionales ilustra los principios básicos de la realimentación. Además, el curso cuenta con un laboratorio para la aplicación de los conceptos expuestos a lo largo del semestre.

Información general

  • Código: 300IGE015
  • Componente Curricular: Núcleo de Formación Fundamental
  • Área de formación: Integración Profesional
  • Núcleo Temático: Electrónica – Control
  • Créditos y horas de contacto: 4 créditos, 96 horas en el semestre (6 horas por semana, 2 clases por semana). Horas de trabajo independiente: 172 horas.
  • Prerrequisitos: Señales y Sistemas
  • Profesor: Jorge Finke

Competencias

Durante el curso el estudiante desarrollará su capacidad para:

  • Identificar problemas que puedan ser descritos formalmente como sistemas; definiendo cuáles son los principios básicos y cuáles son las herramientas de análisis y el diseño. El proceso implica actualizarse en el conocimiento de la disciplina de teoría de sistemas y control, en particular, en el análisis y diseño de sistemas realimentados y su aplicación en las diferentes áreas de la ingeniería, así como también a sistemas físicos, biológicos y sociales. Se proponen alternativas de diseño y construcción de sistemas de control en aplicaciones específicas en áreas de desarrollo de sistemas electrónicos y automatización industrial.

Habilidades

Al final del curso el estudiante habrá desarrollado las siguientes habilidades:

  • Interpretar comportamientos de sistemas (A4 - Technical Knowledge)
  • Interpretar diferentes representaciones de la información (A5 - Technical Knowledge)
  • Modelar (A6 - Technical Knowledge)
  • Obtener modelos equivalentes (A7 - Technical Knowledge)
  • Predecir comportamientos (A8 - Technical Knowledge)
  • Sintetizar (A9 - Technical Knowledge)
  • Analizar información cuantitativamente (B2 - Experimental Abilities)
  • Considerar estándares (C2 - Engineering Design)
  • Considerar restricciones técnicas (C3 - Engineering Design)
  • Formular criterios técnicos de selección (C7 - Engineering Design)
  • Ordenar según criterios técnicos de selección (C8 - Engineering Design)
  • Sustentar una idea (G8 Effective Communication)
  • Implementar programas (K2 - Use of modern engineering tools)
  • Interpretar simbología (K2 - Use of modern engineering tools)

Actitudes

Al final del curso en el estudiante se habrán suscitado las siguientes actitudes:

  • Rigor
  • Atención
  • Hábito de estudio

Contenido

Al final del curso en el estudiante podrá dar cuenta de los siguientes contenidos:

Introducción a Sistemas de Realimentación

  • Historia
  • Áreas de investigación en control

Dinámicas y modelos

  • Ejemplos en ingeniería, física, biología y ciencias sociales
  • Descripción general de sistemas lineales y no-lineales
  • Ecuaciones diferenciales ordinarias y ecuaciones de diferencia

Estabilidad y Desempeño

  • Teoría de estabilidad de Lyapunov
  • Principio de Lasalle

Sistemas Lineales

  • Linealización
  • Identificación de sistemas lineales
  • Estabilidad de sistemas lineales invariantes

Realimentación de Estados

  • Alcanzabilidad
  • Ubicación de los valores propios

Realimentación de la Salida

  • Observabilidad
  • Estimación de estados
  • Controladores basados en observadores

Funciones de Transferencia (continuas y discretas)

  • Respuesta en frecuencia
  • Diagramas de Bode

Análisis de Realimentación en Lazo Cerrado

  • Diagramas de Nyquist

Diseño en el Dominio de Frecuencia

Controlador PID

  • Ziegler-Nichols
  • Implementación y análisis de PID

Validación de Modelos

Objetivos Instruccionales

  1. Estudiar los fundamentos de la teoría de sistemas dinámicos
    1. Describir formalmente qué significa un sistema dinámico realimentado y en lazo abierto
    2. Identificar cuáles son los componentes básicos de los sistemas dinámicos
    3. Formalizar la noción las dinámicas de un sistema utilizando ecuaciones diferenciales y de diferencia
  2. Introducir los conceptos básicos de sistemas dinámicos
    1. Definir formalmente el concepto de estados, entradas, salidas y puntos de equilibrio
    2. Diferenciar entre sistemas lineales y no lineales
  3. Analizar las propiedades básicas de modelos dinámicos
    1. Definir los conceptos de estabilidad, controlabilidad, observabilidad y desempeño
    2. Estudiar los teoremas de establidad, controlabilidad y observabilidad
    3. Predecir el comportamiento de sistemas, empleando los teoremas de análisis de estabilidad
    4. Identificar las restricciones de las herramientas de análisis de sistemas dinámicos
  4. Diseñar controladores para el diseño de trayectorias dinámicas
    1. Definir herramientas de diseño para sistemas lineales
    2. Diseñar controlares por métodos de realimentación de estados
    3. Diseñar controladores proporcionales, integrales y derivativos
  5. Proveer herramientas necesarias para simular sistemas en Matlab, Simulink y Mathematica
    1. Clasificar y manejar herramientas para la simulación de sistemas lineales y no lineales
    2. Implementar simulaciones para verificar el comportamiento dinámico de sistemas

Actividades curriculares

Clases magistrales de Introducción a Sistemas de Realimentación

Desarrollar las habilidades de interpretar información a través del estudio de modelos en las diferentes áreas de la ingeniería, física, biología y ciencias sociales.

Indicadores de desempeño: A4

Tiempo:

Horas con acompañamiento:		6
Horas sin acompañamiento:		12
Ubicación en el semestre:		Semanas 1 y 2

Clases magistrales de Dinámicas y Modelos

Desarrollar la habilidad de capturar comportamientos básicos de sistemas dinámicos y desarrollar modelos basados en ecuaciones diferenciales ordinarias y ecuaciones de diferencia.

Indicadores de desempeño: A4, A5

Tiempo:

Horas con acompañamiento:		6
Horas sin acompañamiento:		12
Ubicación en el semestre:		Semanas 3 a 4

Clases magistrales de Estabilidad y Desempeño

Desarrollar la habilidad de conceptualizar características deseadas de modelos dinámicos, tales como las propiedades de estabilidad de los puntos de equilibrio.

Indicadores de desempeño: A8

Tiempo:

Horas con acompañamiento:		9
Horas sin acompañamiento:		15
Ubicación en el semestre:		Semanas 5 a 7

Clases magistrales de Sistemas Lineales

Desarrollar la habilidad de analizar más a fondo propiedades locales de sistemas no lineales y en particular de sistemas lineales.

Indicadores de desempeño: A6, C7

Tiempo:

Horas con acompañamiento:		3
Horas sin acompañamiento:		6
Ubicación en el semestre:		Semanas 8

Clases magistrales de Realimentación de Estados

Desarrollar las habilidad de manipular las dinámicas de sistemas por medio de lazos de realimentación de estados.

Indicadores de desempeño: A9, C3

Tiempo:

Horas con acompañamiento:		3
Horas sin acompañamiento:		6
Ubicación en el semestre:		Semana 9

Clases magistrales de Realimentación de Salida

Desarrollar las habilidad de manipular las dinámicas de sistemas por medio de lazos de realimentación de la salida.

Indicadores de desempeño: A9, C3

Tiempo:

Horas con acompañamiento:		3
Horas sin acompañamiento:		6
Ubicación en el semestre:		Semana 10

Clases magistrales de Funciones de transferencia

Desarrollar las habilidad de interpretar representaciones de sistemas basadas en el dominio de frecuencia.

Indicadores de desempeño: A6, A7

Tiempo:

Horas con acompañamiento:		3
Horas sin acompañamiento:		6
Ubicación en el semestre:		Semana 11

Clases magistrales de Análisis de Realimentación en Lazo Cerrado

Desarrollar las habilidad de interpretar sistemas realimentados mediante el análisis en el dominio de frecuencia.

Indicadores de desempeño: A9

Tiempo:

Horas con acompañamiento:		2
Horas sin acompañamiento:		6
Ubicación en el semestre:		Semana 12

Clases magistrales de Diseño en el Dominio de Frecuencia

Desarrollar las habilidad de interpretar sistemas realimentados mediante el análisis en el dominio de frecuencia.

Indicadores de desempeño: A5, C2

Tiempo:

Horas con acompañamiento:		3
Horas sin acompañamiento:		6
Ubicación en el semestre:		Semana 13

Clases magistrales de Controlador Proporcional, Integral y Derivativo (PID)

Desarrollar las habilidad de desarrollar y sintonizar controladores frecuentemente usados en la industria.

Indicadores de desempeño: A8, A9, C7

Tiempo:

Horas con acompañamiento:		3
Horas sin acompañamiento:		6
Ubicación en el semestre:		Semana 14 a la 15

Clases magistrales de Validación de Modelos

Desarrollar las habilidad de contrastar las posibles representaciones matemáticas de un sistema, usando datos reales para determinar la fiabilidad de los modelos.

Indicadores de desempeño: A8, C7, C8

Tiempo:

Horas con acompañamiento:		3
Horas sin acompañamiento:		6
Ubicación en el semestre:		Semana 16

Talleres

Desarrollar las habilidades de implementar programas, suscitando la atención y la curiosidad, a través del simulaciones usando lenguajes de alto y bajo nivel.

Indicadores de desempeño: G8, K2

Tiempo:

Horas con acompañamiento:		2/15 días 
Horas sin acompañamiento:		4/15 días 
Ubicación en el semestre:		Semana 2 a la 16

Laboratorios

Realizar prácticas de laboratorio sobre los objetivo específicos: (i) proveer herramientas necesarias para que el estudiante pueda simular sistemas en Matlab, Simulink y Mathematica; (ii) formalizar modelos de sistemas utilizando ecuaciones diferenciales y de diferencia; (iii) analizar las propiedades básicas de modelos dinámicos, tales como desempeño, estabilidad, controlabilidad y observabilidad; (iv) diseñar controladores por métodos de realimentación de estados y sintonizar controladores PID. El estudiante deberá preparar con anterioridad las prácticas a realizar.

Indicadores de desempeño: B2, K2

Tiempo:

Horas con acompañamiento:		2/15 días 
Horas sin acompañamiento:		6/15 días 
Ubicación en el semestre:		Semana 4 a la 16

Proyecto

Desarrollar las habilidades de extraer información relevante, leer documentos académicos, interpretar representaciones de la información, obtener modelos dinámicos, interpretar comportamientos y propiedades de los puntos de equilibrio, a través del estudio de modelos dinámicos.

Indicadores de desempeño: B2, K2, G8

Tiempo:

Horas con acompañamiento:		6
Horas sin acompañamiento:		25 
Ubicación en el semestre:		Semanas 4 a la 16

Integración curricular

Resultados de programa (ABET)

  • La habilidad para aplicar conocimiento de matemáticas, ciencias e ingeniería.
  • La habilidad para diseñar y conducir experimentos así como para analizar e interpretar datos.
  • La habilidad para diseñar un sistema, componente o proceso para satisfacer necesidades deseadas dentro de restricciones realistas.
  • La habilidad para comunicarse efectivamente.
  • La habilidad para usar las técnicas, destrezas y herramientas modernas de ingeniería necesarias para la práctica de la ingeniería.

Relevancia del curso con los resultados de programa

Resultados del programa
A B C D E F G H I J K
Relevancia 3 1 3 1 2
Resultados de programa Indicadores de desempeño Actividades curriculares Contenido
Habilidad para aplicar conocimiento científico y de ingeniería A4, A5, A6, A7, A8, A9 1-11 Todos
La habilidad para diseñar y conducir experimentos así como para analizar e interpretar datos B2 13, 14 Todos
La habilidad para diseñar un sistema, componente o proceso para satisfacer necesidades deseadas dentro de restricciones realistas C2, C3, C7 4,5,6,9,10,11 Todos
La habilidad para comunicarse efectivamente G8 12, 14 Todos
La habilidad para usar las técnicas, destrezas y herramientas modernas de ingeniería necesarias para la práctica de la ingeniería K2 12, 13 Todos

Evaluación

Actividad Evaluación Porcentajes
1 - 11 Dos exámenes parciales 50%
Pruebas escritas cortas y talleres en clase 25%
13 Trabajos escritos sobre el desarrollo de las prácticas de
laboratorio (pre-informes e informes)
10%
8 Informe parciales de avance del proyecto 5%
Informe final del proyecto 5%
Funcionamiento 5%
Total 100%

Recomendaciones del Director del Programa

Reglas del curso

Calificación: Ver Evaluación del curso

Uso de material en exámenes: En los exámenes parciales no está permitido el uso de notas de clase, bibliografía, calculadoras, computadores personales ni teléfonos celulares.

Asistencia: Obligatoria.

Matriculación (últimos tres años)

Recursos

Salones de clase con las ayudas audiovisuales necesarias, laboratorios con dotación tecnológica completa y salas de simulación con el Control Toolbox de Matlab, Simulink y Mathematica.

Aula virtual

La plataforma Blackboard contiene la planificación del curso, lineamientos de trabajos del curso, enunciados de proyectos de semestre, presentaciones, talleres, prácticas de laboratorio, y herramientas de simulación.

Bibliografía

  1. J. Astrom and R. M. Murray, Analysis and Design of Feedback Systems, Princeton University, 2008.
  2. R. C. Dorf and R. H. Bishop, Modern Control Systems, Prentice Hall, 2008.
  3. F. Franklin, J. D. Powell, and A. Emami-Naeni, Feedback Control of Dynamic Systems, Addison-Wesley, 2002.
  4. K. Ogata, Modern Control Engineering (4th Edition), Prentice Hall, 2001.
 
materias/sistemas_realimentados.1402951530.txt.gz · Última modificación: 2014/06/16 15:45 por lfrincon
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