Panorama de la ClaseInformación
Motivación a Ingeniería de ControlIntroducción al control autmomático
Control Automático 11◦C 2018
Virginia MazzonePablo Muñoz
Clases: Martes y viernes 16hs a 19hsEmail: [email protected]
[email protected].: 125web: https://controlautomaticomazzone.wordpress.com/
Virginia Mazzone Pablo Muñoz Control Automático 11◦C 2018
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Motivación a Ingeniería de ControlIntroducción al control autmomático
Panorama de la Clase
1 Panorama de la Clase
2 InformaciónRégimen de promociónTemasCronograma
3 Motivación a Ingeniería de Control
4 Introducción al control autmomáticoIntegración de sistemas
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Motivación a Ingeniería de ControlIntroducción al control autmomático
Régimen de promociónTemasCronograma
Información sobre CAUT1
Es una introducción al control automático.Estudiaremos principios, conceptos y técnicasfundamentales para el análisis y diseño de sistemas decontrol.
Aplicados a sistemas lineales e invariantes en el tiempo,descriptos por su función transferencia en transformadaLaplace.Sistemas de una entrada y una salida (SISO: single-inputsingle-output).
Los objetivos de la asignatura: Aprender aAnalizar y diseñar sistemas de control para plantas SISO.Usar herramientas de software moderno para analizar yresolver problemas de diseño de control.
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Régimen de promociónTemasCronograma
Información sobre CAUT1
Es una introducción al control automático.Estudiaremos principios, conceptos y técnicasfundamentales para el análisis y diseño de sistemas decontrol.
Aplicados a sistemas lineales e invariantes en el tiempo,descriptos por su función transferencia en transformadaLaplace.Sistemas de una entrada y una salida (SISO: single-inputsingle-output).
Los objetivos de la asignatura: Aprender aAnalizar y diseñar sistemas de control para plantas SISO.Usar herramientas de software moderno para analizar yresolver problemas de diseño de control.
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Régimen de promociónTemasCronograma
Conocimientos previos: Señales y sistemas,
Modalidad de cursadaAproximadamente un 60% de teoría y un 40% de práctica(resolución de problemas, trabajo en computadora y enlaboratorio). Carga horaria estimada de trabajo fuera de clase:6 horas semanales.Según el nuevo Régimen de Estudio1, aprobado el 27 defebrero de 2008.
1Referente al régimen de estudio RESOLUCIÓN (CS) No: 004/08Virginia Mazzone Pablo Muñoz Control Automático 11◦C 2018
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Régimen de promociónTemasCronograma
Conocimientos previos: Señales y sistemas,
Modalidad de cursadaAproximadamente un 60% de teoría y un 40% de práctica(resolución de problemas, trabajo en computadora y enlaboratorio). Carga horaria estimada de trabajo fuera de clase:6 horas semanales.
Según el nuevo Régimen de Estudio1, aprobado el 27 defebrero de 2008.
1Referente al régimen de estudio RESOLUCIÓN (CS) No: 004/08Virginia Mazzone Pablo Muñoz Control Automático 11◦C 2018
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Régimen de promociónTemasCronograma
Conocimientos previos: Señales y sistemas,
Modalidad de cursadaAproximadamente un 60% de teoría y un 40% de práctica(resolución de problemas, trabajo en computadora y enlaboratorio). Carga horaria estimada de trabajo fuera de clase:6 horas semanales.Según el nuevo Régimen de Estudio1, aprobado el 27 defebrero de 2008.
1Referente al régimen de estudio RESOLUCIÓN (CS) No: 004/08Virginia Mazzone Pablo Muñoz Control Automático 11◦C 2018
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Régimen de promociónTemasCronograma
En Control 1, aprobar requiere aprobar tres instancias deevaluación parcial: dos parciales teórico-prácticos y un trabajopráctico obligatorio en simulación sobre sistemas reales conentrega de informe en tiempo y forma individual.
La promoción se adquiere con la obtención de un promediomínimo de 7 puntos en las instancias parciales de evaluación yde un mínimo de 6 puntos en cada una de ellas. La obtenciónde un mínimo de 4 puntos en cada instancia parcial deevaluación y examen integrador, el que será obligatorio enestos casos. En el caso que el informe del laboratorio no seentregue en tiempo y forma se considerará ausente.
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Régimen de promociónTemasCronograma
Material de estudio
Software: MATLAB + SIMULINK + CONTROL SYSTEMS
TOOLBOX
Libros:? Goodwin, Graebe & Salgado, Control System Design.
Prentice Hall, 2001.Ogata, Ingeniería de Control Moderna, Prentice Hall, 1980.Franklin, Powell & Emami-Naeini, Control de sistemasdinámicos con realimentación, Addison-Wesley, 1991.
Material en internet:
http://iaci.unq.edu.ar
→ Educación→ Núcleo básico→ Control Automático 1
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Régimen de promociónTemasCronograma
Material de estudio
Software: MATLAB + SIMULINK + CONTROL SYSTEMS
TOOLBOXLibros:
? Goodwin, Graebe & Salgado, Control System Design.Prentice Hall, 2001.Ogata, Ingeniería de Control Moderna, Prentice Hall, 1980.Franklin, Powell & Emami-Naeini, Control de sistemasdinámicos con realimentación, Addison-Wesley, 1991.
Material en internet:
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→ Educación→ Núcleo básico→ Control Automático 1
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Régimen de promociónTemasCronograma
Material de estudio
Software: MATLAB + SIMULINK + CONTROL SYSTEMS
TOOLBOXLibros:
? Goodwin, Graebe & Salgado, Control System Design.Prentice Hall, 2001.Ogata, Ingeniería de Control Moderna, Prentice Hall, 1980.Franklin, Powell & Emami-Naeini, Control de sistemasdinámicos con realimentación, Addison-Wesley, 1991.
Material en internet:
http://iaci.unq.edu.ar
→ Educación→ Núcleo básico→ Control Automático 1
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Régimen de promociónTemasCronograma
Temas
1 Introducción al control automático2 Principios de realimentación3 Modelos matemáticos en control4 Señales y sistemas de tiempo continuo5 Modelos para sistemas muestreados6 Análisis de sistemas realimentados7 Control PID clásico8 Diseño básico de controladores SISO9 Limitaciones fundamentales en control SISO
10 Consideraciones prácticas de diseño11 Manejo de restricciones12 Introducción a Control Digital
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Régimen de promociónTemasCronograma
Cronograma tentativo
1 Exámenes Teórico-Práctico1◦ Parcial: 4 de mayo de 20181◦ Recupreatorio: 18 de mayo de 20182◦ Pacial: 3 de julio de 20182◦ Recuperatorio: 13 de julio de 2018Integrador: 20 de julio de 2018
2 Trabajo Práctico ObligatorioEntrega de Informe: 17 de julio de 2018Defensa oral: 20 de julio de 2018
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Motivación a Ingeniería de Control
El control por realimentación tiene una larga historia quecomenzó con el deseo primordial de los seres humanos dedominar los materiales y las fuerzas de la naturaleza en suprovecho.Los primeros ejemplos de dispositivos de control incluyen lossistemas de regulación de relojes y los mecanismos paramantener los molinos de viento orientados en la dirección delviento.Las plantas industriales modernas poseen sofisticadossistemas de control que son cruciales para su operacióncorrecta.De hecho, ninguno de los sistemas modernos (aviones, trenesde alta velocidad, reproductores de CD, etc.) podrían operar sinla ayuda de sofisticados sistemas de control.
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Motivación a Ingeniería de ControlIntroducción al control autmomático
¿Dónde se usa control?
? Procesos industriales? Transporte
AutosTrenesBarcosAvionesNaves espaciales
? Generación de energía
? Transmisión de energía
? Mecatrónica
? Instrumentación
? Artefactos electrónicos
? Economía
? Medicina
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Motivación a Ingeniería de ControlIntroducción al control autmomático
Un mejor control es la clave tecnológica para lograr
productos de mayor calidadminimización de desperdiciosprotección del medio ambientemayor rendimiento de la capacidad instaladamayores márgenes de seguridad
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Motivación a Ingeniería de ControlIntroducción al control autmomático
Integración de sistemas
Motivación a Ingeniería de Control
El control por realimentación tiene una larga historia quecomenzó con el deseo primordial de los seres humanos dedominar los materiales y las fuerzas de la naturaleza en suprovecho.Los primeros ejemplos de dispositivos de control incluyen lossistemas de regulación de relojes y los mecanismos paramantener los molinos de viento orientados en la dirección delviento.Las plantas industriales modernas poseen sofisticadossistemas de control que son cruciales para su operacióncorrecta.
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Integración de sistemas
Historia del control automático
La ingeniería de control ha tenido un enorme impacto ennuestra sociedad. Åström cita a Wilbur Wright (1901):
« Sabemos como construir aeroplanos.»«Sabemos como construir motores.»
« El no saber cómo equilibrar y maniobrar aún desafía a losestudiantes del problema de vuelo.»
«Cuando esta única dificultad sea resuelta, la era del vuelohabrá arribado, ya que todas las demás dificultades son de
menor importancia.»
¡Los hermanos Wright resolvieron cómo equilibrar ymaniobrar y volaron el Kitty Hawk el 17 de diciembre de 1903!
De hecho, ninguno de los sistemas modernos (aviones, trenesde alta velocidad, reproductores de CD, etc.) podrían operar sinla ayuda de sofisticados sistemas de control.
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Integración de sistemas
Historia del control automático
La ingeniería de control ha tenido un enorme impacto ennuestra sociedad. Åström cita a Wilbur Wright (1901):
« Sabemos como construir aeroplanos.»«Sabemos como construir motores.»
« El no saber cómo equilibrar y maniobrar aún desafía a losestudiantes del problema de vuelo.»
«Cuando esta única dificultad sea resuelta, la era del vuelohabrá arribado, ya que todas las demás dificultades son de
menor importancia.»
¡Los hermanos Wright resolvieron cómo equilibrar ymaniobrar y volaron el Kitty Hawk el 17 de diciembre de 1903!
De hecho, ninguno de los sistemas modernos (aviones, trenesde alta velocidad, reproductores de CD, etc.) podrían operar sinla ayuda de sofisticados sistemas de control.
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Integración de sistemas
Historia del control automático
La ingeniería de control ha tenido un enorme impacto ennuestra sociedad. Åström cita a Wilbur Wright (1901):
« Sabemos como construir aeroplanos.»«Sabemos como construir motores.»
« El no saber cómo equilibrar y maniobrar aún desafía a losestudiantes del problema de vuelo.»
«Cuando esta única dificultad sea resuelta, la era del vuelohabrá arribado, ya que todas las demás dificultades son de
menor importancia.»
¡Los hermanos Wright resolvieron cómo equilibrar ymaniobrar y volaron el Kitty Hawk el 17 de diciembre de 1903!
De hecho, ninguno de los sistemas modernos (aviones, trenesde alta velocidad, reproductores de CD, etc.) podrían operar sinla ayuda de sofisticados sistemas de control.Virginia Mazzone Pablo Muñoz Control Automático 11◦C 2018
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Integración de sistemas
Regulador centrífugo de Watt
Por ejemplo, el regulador centrífugo de Watt tuvo un impactofundamental durante la revolución industrial.
(Figura de Dorf & Bishop, Modern ControlSystems, 9a Ed.)
La fotografía muestra un re-gulador centrífugo de Wattusado en una máquina devapor en una fábrica de te-las cerca de Manchester, enel Reino Unido. Manchesterfue el centro de la revolu-ción industrial. La fábrica detelas está aún en operación.
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Integración de sistemas
¿Dónde se usa control?
? Procesos industriales? Transporte
AutosTrenesBarcosAvionesNaves espaciales
? Generación de energía
? Transmisión de energía
? Mecatrónica
? Instrumentación
? Artefactos electrónicos
? Economía
? Medicina
Un mejor control es la clave tecnológica para lograrproductos de mayor calidadminimización de desperdiciosprotección del medio ambientemayor rendimiento de la capacidad instaladamayores márgenes de seguridad
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Integración de sistemas
¿Dónde se usa control?
? Procesos industriales? Transporte
AutosTrenesBarcosAvionesNaves espaciales
? Generación de energía
? Transmisión de energía
? Mecatrónica
? Instrumentación
? Artefactos electrónicos
? Economía
? Medicina
Un mejor control es la clave tecnológica para lograrproductos de mayor calidadminimización de desperdiciosprotección del medio ambientemayor rendimiento de la capacidad instaladamayores márgenes de seguridad
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Motivación a Ingeniería de ControlIntroducción al control autmomático
Integración de sistemas
Ejemplos de sistemas de control cotidianos
Sistema de control de temperatura de agua.Sistema de control de la dirección de un automóvil.Sistema de control de nivel de un líquido.
�� ��- - -- -
6
�Medición
-Controlador
Realimentaci’onSalida medida
Salida realReferenciaActuador Proceso
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Integración de sistemas
Ejemplos de sistemas de control cotidianos
Sistema de control de temperatura de agua.Sistema de control de la dirección de un automóvil.Sistema de control de nivel de un líquido.
�� ��- - -- -
6
�Medición
-Controlador
Realimentaci’onSalida medida
Salida realReferenciaActuador Proceso
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Integración de sistemas
Integración de sistemas
El éxito en ingeniería de control se apoya en tener un enfoque"global"de los problemas. Algunos de los elementos a tener encuenta:
la planta, el proceso a ser controladolos objetivoslos sensoreslos actuadoreslas comunicacionesel cómputola configuración e interfaceslos algoritmoslas perturbaciones e incertidumbres
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Integración de sistemas
Objetivos
La estructura física de la planta es una parte intrínseca delproblema de control.Por lo tanto, l@s ingenier@s de control deben estarfamiliarizados con la "física"del proceso bajo estudio.Esto incluye conocimientos básicos de balances de energía,balances de masas, y flujo de materiales en el sistema.
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Integración de sistemas
Objetivos
Antes de diseñar sensores, actuadores, o configuraciones decontrol, es importante conocer los objetivos de control.Estos incluyen
Qué es lo que se pretende alcanzar (reducción de energía,mayor produción, etc.).Qué variables deben controlarse para alcanzar losobjetivos.Qué nivel de calidad se necesita (precisión, velocidad,etc.).
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Integración de sistemas
Los sensores
Los sensores son los ojos del sistema de control, que lepermiten ver qué está pasando. De hecho, algo que sueledecirse en control es:
Si se puede medir, se puede controlar.
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Integración de sistemas
Los actuadores
Una vez ubicados los sensores para informar el estado de unproceso, sigue determinar la forma de actuar sobre el sistemapara hacerlo ir del estado actual al estado deseado.
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Integración de sistemas
Las comunicaciones
La interconección de sensores y actuadores requieren el usode sistemas de comunicación.Una planta típica va a tener miles de señales diferentes quedeberán ser transmitidas largas distancias. Así, el diseño desistemas de comunicación y sus protocolos asociados es unaspecto cada vez más importante de la ingeniería de controlmoderna.
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Integración de sistemas
El cómputo
En los sistemas de control modernos la interconección desensores y actuadores se hace invariablemente a través deuna computadora de algún tipo. Por lo tanto, los aspectoscomputacionales son necesariamente una parte del diseñogeneral.Los sistemas de control actuales usan una gama dedispositivos de cómputo, que incluyen DCS (sistemas decontrol distribuido), PLC (controladores lógicos programables),PC (computadoras personales), etc.
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Integración de sistemas
Configuración e interfaces
La cuestión de qué se conecta con qué no es trivial en eldiseño de un sistema de control. Podría pensarse que lo mejorsiempre sería llevar todas las señales a un punto central, demanera que cada acción de control esté basada eninformación completa (el denominado control centralizado).Sin embargo, esta raramente es la mejor solución en lapráctica. De hecho, hay muy buenas razones por las que noconviene llevar todas las señales a un punto común. Algunasobvias son complejidad, costos, limitaciones en tiempo decómputo, mantenimiento, confiabilidad, etc.
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Motivación a Ingeniería de ControlIntroducción al control autmomático
Integración de sistemas
Algoritmos
Finalmente, llegamos al corazón de la ingeniería de control: losalgoritmos que conectan sensores y actuadores. Es muy fácilsubestimar este aspecto final del problema.Como ejemplo simple de nuestra experiencia diaria,consideremos el problema de jugar tenis a primer nivelinternacional. Claramente, se necesita buena visión (sensores)y fuerza muscular (actuadores) para jugar tenis en este nivel,pero estos atributos no son suficientes. De hecho, lacoordinación entre ojos y brazo es también crucial para el éxito.En resumen:
Los sensores proveen los ojos, y los actuadores losmúsculos; la teoría de control provee la destreza.
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Integración de sistemas
Mejores sensores dan mejor visión
Mejores actuadores dan más músculos
Mejor control da más destreza al combinar sensores yactuadores de forma más inteligente
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Integración de sistemas
Perturbaciones e incertidumbre
Uno de los factores que hacen a la ciencia del controlinteresante es que todos los sistemas reales están afectadospor ruido y perturbaciones externas.Estos factores pueden tener un impacto significativo en elrendimiento del sistema. Como ejemplo simple, los avionesestán sujetos a ráfagas de vientos y pozos de aire; loscontroladores de crucero de los automóviles deben adecuarsea diferentes condiciones de la ruta y diferentes cargas delvehículo.
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Motivación a Ingeniería de ControlIntroducción al control autmomático
Integración de sistemas
Homogeneidad
Finalmente, todos los sistemas interconectados, incluyendosistemas de control, sólo pueden ser tan buenos como elelemento más débil.Las consecuencias de este hecho en el diseño de control sonque debe tenderse a que todos los componentes (planta,sensores, actuadores, comunicaciones, cómputo, interfaces,algoritmos, etc.) sean de una precisión y calidadaproximadamente comparable.
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