introduccion curso prima 2015

7/21/2019 Introduccion Curso Prima 2015

1/50

J. Fermi Guerrero Castellanos Sistemas dinmicos Introduccin

Control de sistemas lineales

(Control I)

Profesor: Dr. J. Fermi Guerrero

Benemrita Universidad Autnoma de Puebla

Facultad de Ciencias de la Electrnica


2/50


2

Contenido

Qu es el control automtico?

Clasificacin del control

Por qu el control automtico?

Ejemplos de sistemas de control

Procedimiento de diseo de control

Contenido del curso

Forma de evaluacin

Referencias


3/50


Qu es el Control Automtico?

Es una rama de la teora de sistemas dinmicos, hermana deltratamiento de seales (o teora del filtrado) y de las

telecomunicaciones (teora de la transmisin).

La ingeniera de control automtico, se refiere al uso de elementos sistemticos (como

control numrico (NC), controladores lgicos programables (PLC) y otros sistemas decontrol industrial) relacionados con aplicaciones de la tecnologa de la informacin

(como son las redes de comunicaciones), para el control de maquinaria y procesos,

reduciendo la necesidad de intervencin humana. En el mbito de la industrializacin, la

automatizacin esta a varios pasos por delante de la mecanizacin.

3


4/50


El control automtico en lazo cerradose centra en el control de los sistemas dinmicosmediante el principio de la realimentacin, para conseguir que las salidas de los mismos

se acerquen lo ms posible a un comportamiento predefinido. Esta rama de la ingeniera

tiene como principal herramienta los mtodos de la teora de sistemas.

Orgenes del control automtico -> James Watt (1736-1819)

4

Qu es el Control Automtico?

Flyball governor


5/50


6/50


Evolucin del control automtico

6

Primera parte del sigloXX

Aportaciones de :Black, Nyquist

Segunda parte del

siglo XX (ciberntica)Aportaciones de :Wiener, Kalman,

Luenberger


7/50J. Fermi Guerrero Castellanos Sistemas dinmicos Introduccin

Por qu el control automtico?

Sistemas complejos (ms y ms sensores y actuadores)

Altos requerimientos

Un buen sistema de control automtico es la clave

para la tecnologa:

Realza la calidad del producto

Asegura una minimizacin de la basura y de la energa

Permite la proteccin del medio ambiente

Mayor produccin

Mrgenes de seguridad ms altos

Reduce el costo global

7

En la actualidad


8/50



9

Control Automtico

Lazo cerrado

Definicin:

Es una disciplina de la ingeniera encargada de disear

sistemas de retroalimentacin(Feedback systems).

Feedback ?Feedback is a central feature of the life. The procces of the feedbackgoverns how we grow, respond to stress and challenge, and regulate factors

such as body temperature, blood preasure, and cholesterol level. Themechanisms operate at every level, from the interconection of proteins in

cells to the interaction of organisms in complex ecologies.

Hoagland and Dodson, The Way Life Works, 1995



10

Control Automtico

Lazo cerrado

Enfoque Clsico Enfoque Moderno

Descripcin Entrada-SalidaFuncin de Transferencia

Descripcin enEspacio de estados

Estos enfoques son diferentes pero muchas veces son complementarios



11

4 pasos para el diseo de control en lazo

cerrado

Modelacin matemtica

! Obtener un modelo del sistema utilizando leyes de la fsica,qumica, biologa, economa.

! Modelos por medio de experimentos (Identificacin)

! Dos tipos de modelos pueden ser encontrados:

Uno simple para proponer las leyes de control

Uno muy detallado para probar la ley de control en

simulacin.

Obtener la ley de control: P,PI,PID,retroalimentacion deestados, LQR, (en el caso lineal) y Backsteping, Sliding Modes,

Lyapunov Based, etc..(en el caso no lineal)

Disear un observador:Si las medidas no pueden ser obtenidasdirectamente por medio de los sensores disponibles, (siempre y

cuando el sistema cumpla con la propiedad de observabilidad)

Cerrar el lazo de control(Feedback)



12

Ejemplo de Feedback:

Control de velocidad de un automvil

Velocidad

(Ideal)

NavegacinVelocidad del

vehculo

ClculoLey de control

ActuadorPedal de

acelerador

(Realidad)

La correccin iguala a la realidad con lo ideal !!!!

Objetivo:

Estabilidad:el sistema se mantenga en el punto deseado de operacin (velocidaddeseada)

Desempeo: el sistema alcance la velocidad deseada de la mejor manera

Robustez:el sistema tolere perturbaciones en la dinmica (masas, rozamiento,

etc)



Campos de aplicacin

13

Las plantas industriales modernas requieren sofisticados de sistemas de controlpara que su operacin sea exitosa.

Aeroespacial Petrolera

Ingeniera de procesos: agua, nuclear, qumicos

Automotriz



Ejemplos en el mbito del generacin de

energa

14



Energa elica

15

Charles F. Brushs wind

turbine (1887, Cleveland, Ohio), the

worlds first automatically

operating wind turbine forelectricity generation.

Multidisciplinary computer design tools for wind turbine design.



Turbinas de Viento

16

Ref: Oliver Sename, INP, France



Turbinas de Viento

17

Power curve of a wind turbine and control zones.


18/50


KiteGen

Papalotes generadores

18


19/50


KiteGen

19


20/50


Energa Solar

20

Plataforma Solar de Almeria (PSA).

SEGS plants III-VII in California, U.S.A.


21/50


Ejemplos en el mbito del ahorro de energa

21


22/50


Edificios inteligentes

22


23/50


Edificios inteligentes

High comfort level: Learn the comfort zone from the users preference, and

guarantee a high comfort level (thermal, air quality and illuminance) and good

dynamic performance.

Energy savings: Combine the comfort conditions control with an energysaving strategy.

Air quality control: Provide CO2-based demand-controlled ventilation (DCV)

systems.

23

Goals of an intelligent management system for energy and comfort(Dounis,Energy&Building 2009) :


24/50


Ejemplos en los sistemas de transporte

24


25/50

J. Fermi Guerrero Castellanos Sistemas dinmicos Introduccin25

Sistemas de transporte


26/50



26

Sistema common rail


27/50



27

ESP: Electronic Stability Program


28/50


29/50


Ejemplos en sistemas espaciales

29


30/50


Sistemas espaciales

"Control de orientacin"Control de trayectoria


31/50


Ejemplos en Robtica

31


32/50


Robtica

Robtica terrestre


33/50


Mobile-Robot-Enabled Smart Warehouses

33


34/50


Robtica

Sistemas areos no tripulados (UAV)

Los drones


35/50


Diseo Mecatrnico

35

Diseo CAD/CAE


36/50


Diseo Mecatrnico

36

CAE/CAD

Diseo Control

DYMOLAMOBILE

ACSL,SIMPACK, MATLAB/Simulink, MATHEMATICA

Diseo Mecatrnico


37/50


Diseo MecatrnicoProcedimiento para el modelado de los procesos

(a lo cual estar enfocado este curso)


38/50


Cul es concretamente el rol de un ingeniero en control automtico?


39/50


Trabajo de un ingeniero en control

automtico

1. Transformar las especificaciones de funcionamiento en especificaciones de

estabilidad y desempeo.

2. Encontrar el modelo matemtico del sistema (simplificarlo si es

necesario,etc..)

3. Analizarel sistema

4.

Disearun controlador5. Simulacindel sistema en lazo cerrado

6. Sintonizar el controlador

7. Implementar en tiempo real

8. Optimizarde la sintonizacin

9. Abriry beber la champagne

39


40/50


Objetivos del curso

Entender conceptos matemticos claves sobre Modelacin desistemas y sus diferentes representaciones:

!Ecuaciones diferenciales lineales y no lineales

!Funciones de transferencia (recordatorio)

!Espacio de estados

Conceptos claves de teora de la retroalimentacin,

estabilidad, controlabilidad, observabilidad.

Resolver problemas de modelacin matemtica:

cual i ta t ivamente (en papel) y cuant i tat ivamente

(experimentalmente)

Analizar la dinmica de un sistema utilizando MATLAB/simulink.

Implementar virtualmente un sistema de control.


41/50


Contenido del curso

1. Espacios lineales y operadores

Independencia lineal, bases y representaciones,

Operadores lineales,

Sistemas de ecuaciones lineales algebraicas,

Valores, vectores propios y formas de Jordan,

Funciones de una matriz cuadrada,

Normas y producto interno, Definiciones y propiedades de sistemas

2. Descripciones matemticas de sistemas

La descripcin entrada-salida,

La descripcin espacio estado,

Relacin entre funcin de transferencia y descripcin espacio deestado.

Concepto de estabilidad

41

Requisito

Examen 1


42/50


Contenido del curso

3. Ecuaciones dinmicas lineales y matrices de respuesta al impulso

Solucin de la ecuacin de estado (Metodo de Laplace y Jordan)

Control de mnima energa (control lazo abierto).

4. Controlabilidad y Observabilidad de ecuaciones lineales dinmicas

Independencia lineal de funciones temporales,

Controlabilidad de ecuaciones lineales dinmicas, Observabilidad de ecuaciones lineales dinmicas,

Descomposicin cannica de una ecuacin lineal e invariante en el tiempo,

Controlabilidad y Observabilidad de ecuaciones dinmicas de la forma de Jordan,

Controlabilidad de salida y funcin de salida.

42

Examen 2


43/50


Contenido del curso

5. Realimentacin e Identificacin de estados Formas cannicas de ecuaciones dinmicas,

Realimentacin de estado,

Estimadores de estado,

Vnculo entre la realimentacin de estados y el estimador de estados,

Desacoplamiento por estimacin de estado.

Regulador optimo lineal cuadrtico (LQR)6. Ejemplos de diseo

7. Estabilidad de sistemas lineales,

Criterios de estabilidad en trminos de la entrada-salida,

Teorema de Lyapunov

43

Examen 3


44/50


44

Forma de evaluacin

40 % Exmenes

30% Prcticas

30 % Proyecto

Nota: En ocasiones ser necesario la lectura de artculos.

Bibliografa principal:

1) Repaso de algebra lineal: Algebra Lineal, Serge Lang. Fondo Educativo Interamericano.

2) Control en el espacio de estado. Sergio Dominguez Pascual Campoy, et al.

3) Feedback Systems : an Introduction for Scientists and Engineers, K.J.Astrm, R.M.Murray, Princeton University

Press, 2008.

4) Literatura clsica y til.

Sistemas automticos de control. Benjamn kuo.

Sistemas de control en ingeniera, Norman. S. Nise (util para ejemplos de modelos matemticos)


45/50


45

Proyecto

Elegir un sistema dinmico (real o virtual) en cualquier mbito.

Realizar un diagrama estructural en el que se identifiquen las seales deentrada y de salida del sistema y de los posibles subsistemas en los que

puede ser subdividido. Determinar las ecuaciones fsicas que describen el comportamiento dinmicodel sistema.

Elegir, si procede, las simplificaciones e hiptesis necesarias para conjugaradecuadamente simplicidad y precisin y obtener finalmente un modelomatemtico del sistema expresado en espacio de estados.

Proponer un control/observador para el sistema.

Simular dicho modelo mediante tcnicas y herramientas de simulacin(MATLAB/Simulink)

Generar una animacin a partir de los resultados de la simulacin. En el casode hacerla interactiva (es decir, que el usuario pueda actuar sobre el sistemapara observar su respuesta), la animacin se har en tiempo de simulacin.

El trabajo deber recorrer el proceso completo de modelado, simulaciny control de un sistema dinmico, incluyendo los siguientes aspectos:


46/50


46

Ejemplos

Animacin

Animacin

Mechanical Desktop Nastram/Matlab-Simulink


47/50


47

Ejemplos

Animacin

Virtual realityMATLAB


48/50


48

MAV de alas batientes


49/50


Actividades de esta semana

Revisar capitulo 2 y 3 del libro Feedback Systems, no esnecesario entender todos los modelos matemticos pero si

los problemas planteados.

Quitar el polvo y revisar sus notas sobre Transformadas deLaplace, funcin de transferencia y diagramas de bode.

49


50/50

50

Preguntas?

Nos vemos el mircoles

introduccion curso prima 2015

Documents