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GUÍA DE PRÁC TICAS DE LABORATO RIO EN EL ÁREA DE CO NTRO L
PARA UNA NUEVA MÁQ UINA DEL NUEVO EDIFIC IO DE INGENIERÍA
CAMILO ANDRES LEAL MUÑO Z
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FAC ULTAD DE ING ENIERÍA
DEPARTAMENTO DE ING ENIERÍA EL ÉC TRICA Y ELEC TRÓ NIC A
BO GO TÁ D.C
2006
IEL2-I-06-34
GUÍA DE PRÁC TICAS DE LABORATO RIO EN EL ÁREA DE CO NTRO L
PARA UNA NUEVA MÁQ UINA DEL NUEVO EDIFIC IO DE INGENIERÍA
CAMILO ANDRES LEAL MUÑO Z
Proyecto de Grado para optar al el título de Ingeniero Electrónico
Asesor
Mauricio Duque
Ingeniero Electrónico
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FAC ULTAD DE ING ENIERÍA
DEPARTAMENTO DE ING ENIERÍA EL ÉC TRICA Y ELEC TRÓ NICA
BO GO TÁ D.C
2006
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CONTENIDO
LISTA DE ANEXOS……………………………………………….……….….…….....1
RESUMEN…………………………………………………………………………...….2
INTRODUCCION…………………………………………………………………....….3
OBJETIVOS………………………………………………………………..……..…......5
1. METODOS DE APRENDIZAJE…………………………………………….…….....6
1.1 MODELO DE KOLB……………………………………………………….…….....7
1.2 APRENDIZAJE ACTIVO (ACTIVE LEARNING)……………………………...…8
1.2.1 CDIO (Concebir, Diseñar, Implementar y Operar)………………………….…...10
1.3 APRENDIZAJE COOPERATIVO………………………………………………...11
1.3.1 Interdependencia Positiva……………………………………………………….11
1.3.2 Promover interacción cara a cara………………………………………………..12
1.3.3 Responsabilidades individuales y grupales……………………………………...12
1.3.4 Habilidades interpersonales y de pequeños grupos……………………………...12
1.3.5 Procesamiento Grupal…………………………………………………………...13
2. LABORATORIOS ACTUALES (EN GENERAL) Y EXPERIMENTACION EN EL
PROCESO DE APRENDIZAJE…………………………………………....................14
3. LABORATORIOS DE CONTROL…………………………………………….…..16
3.1 VISION GENERAL………………………………………………………….……16
3.2 ENCUEST AS……………………………………………………………………...17
3.3 NUEVOS LABORATORIOS……………………………………………………..22
CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS……………………………………………....25
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS……………………………………………...…27
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LISTA DE ANEXO S
Anexo A.1. Encuesta 1 acerca del laboratorio de Control en la Universidad de Los
Andes.
Anexo A.2.1. Encuesta 2 acerca del laboratorio de Control en la Universidad de Los
Andes realizada a los est udiantes.
Anexo A.2.1. Encuesta 2 acerca del laboratorio de Control en la Universidad de Los
Andes realizada al asistente.
Anexo B. Aparte de la Tesis de France Campos “DEE-DO's-DA: metodología para la conformación de verdaderos equipos de trabajo por medio de la metáfora del juego”.
Anexo C . Guía de prácticas de laboratorio de Control para el estudiante.
Anexo D. Guía de prácticas de laboratorio de Control para el asistente.
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RES UMEN
En este documento se presenta el informe definitivo del proyecto de grado concerniente
a la elaboración de una guía de prácticas de laboratorio en el área de control con base en
la máquina de tanques acop lados de Quanser, que será adquirida para el nuevo edif icio
de Ingeniería de la Universidad de Los Andes. Primero se presenta una investigación
acerca de distintas estrategias de aprendizaje que se pueden aplicar a los estudiantes y
en general a todas las personas que estén involucradas en un proceso de aprendizaje
como por ejemplo un laboratorio o una clase; en este caso estudiamos el modelo de
Kolb, Active Learning, CDIO y aprendizaje cooperativo. Luego se presentan los
resultados acerca de otra investigación concerniente al papel e importancia de la
experimentación en los procesos de aprendizaje, en nuestro caso la importancia y el
papel que juegan los laboratorios en éste. Se sigue con los resultados generados a partir
de dos encuestas realizadas a estudiantes de la Universidad de Los Andes de las
distintas ingenier ías que ven la materia de Sistemas de Control (Eléctrica, Electrónica,
Mecánica y Química) acerca de las impresiones de ellos con respecto al laboratorio de
dicha materia y su proceso de aprendizaje. Luego se hace un estudio de otros modelos
utilizados en la metodología desarro llada en otras Universidades para este tipo de
laboratorios. Posteriormente se establecen los objetivos y características generales de la
guía de laboratorios que se desea diseñar, así como los temas a desarrollar en estos y los
objetivos específ icos de cada una de las prácticas. Por último se desarrolla una plantilla
de guía de prácticas de laboratorio para el estudiante y otra para el asistente, basadas en
la planta de tanques acoplados de Quanser que será adquirida por la Universidad para el
nuevo edificio de Ingeniería.
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INTRO DUCC IÓN
La Universidad de Los Andes siempre se ha caracterizado por ir a la vanguardia a nivel nacional en el campo del avance y progreso tanto tecnológico como académico y
educativo; un ejemplo de esto es la construcción del nuevo edificio de Ingeniería que
busca una innovación en estos dos niveles como lo supone la adquisición de nuevas
máquinas y construcción de modernos laboratorios (tecnológico) y la búsqueda de la
interdisciplinariedad académica de los estudiantes de Ingenier ía (educativo).
Con la construcción del este nuevo edificio de ingen iería y la adquisición de nuevas máquinas dispuestas para el uso académico de los est udiantes, surge la necesidad y la
oportunidad de implementar un nuevo sistema de prácticas de laboratorio que se
adapten a estas máquinas y al propósito educativo de la Universidad; además de la
inconformidad de algunos estudiantes y profesores con respecto a la guía de prácticas de
laboratorios de algunas materias utilizadas act ualmente, como lo es la de Sistemas de
Control, debido a una cierta carencia de una metodología aprop iada para un buen
proceso de aprendizaje de los est udiantes.
Es conocido para todos, que actualmente la materia de ‘Sistemas de Control’ es tomada
por estudiantes de distintas Ingenierías como son Eléctricos, Electrónicos, Mecánicos y
Químicos y esto representa que tanto la materia teórica, como práctica (laboratorio) se
tenga que acomodar a un nivel de complejidad, de agrado y de pertinencia con todos los
estudiantes involucrados. Con el nuevo edificio surge una oportunidad de reestructuración de este tipo de laboratorios, donde juega un papel importante la
interdisciplinariedad académica que busca la Universidad y que se busca para un mejor
proceso de aprendizaje.
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Como antecedentes a este proyecto encontramos la guía de prácticas utilizadas
actualmente en la materia y otras tantas utilizadas en otras Universidades del mundo.
Este proyecto inicia con una serie de investigaciones acerca de los procesos de
aprendizaje y todo lo que esto involucra y puntos claros y conclusiones para el abordaje
y desarrollo del nuevo sistema de prácticas para una nueva máquina del nuevo edif icio
que en este caso será los tanques acoplados de Quanser.
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OBJETIVOS
O bjetivo general:
• Diseñar un nuevo conjunto de guías de prácticas de laboratorio, útiles para ser
aplicadas en el área de Sistemas de Control, con base en la planta de tanques
acoplados de Quanser.
O bjetivos Es pecíficos:
• Investigar acerca de la utilización de prácticas de laboratorio en el proceso de
aprendizaje en la Ingenier ía.
• Adaptar estrategias de aprendizaje más eficientes en las prácticas de laboratorio de
Control y así poder relacionar de forma adecuada la teoría con la práctica en dichos
laboratorios.
• Aplicar los conocimientos que se tienen act ualmente acerca de dinámica de grupos
en los laboratorios.
• Hacer un estudio crítico de las guías de laboratorio de control actuales.
• Desarrollar una guía del estudiante y una del asistente para el laboratorio, con base
en los tanques acoplados.
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1. ES TRATEG IAS DE APRENDIZAJE
Para empezar a describir las características que debe tener un laboratorio en el que se
busca un buen aprendizaje de los estudiantes debemos obligatoriamente empezar por
dar un v istazo a las distintas estrategias de aprendizaje que se pueden asociar al ser
humano y a los estudiantes. En este orden de ideas hablaremos del aprendizaje activo
(Active Learning), el modelo de aprendizaje experimental de Kolb, aprendizaje basado
en problemas (Problem-based Learn ing), el método CDIO y el aprendizaje cooperativo
que tiene relación con el trabajo en grupo.
Antes de comenzar a hablar de estos modelos tenemos que saber que en las últimas
décadas se han realizado varias investigaciones acerca de psicología y la mente en
cuanto al aprendizaje y según el libro “How People Learn”[1] esto nos ha traído a una
era que pasa de la ciencia a la práctica y uno de los énfasis más importantes de estas
investigaciones son en ‘aprendizaje con comprensión’ ya que los estudiantes, la mayoría
de veces tienen oportunidades limitadas de entender o darle sentido a algunos temas,
debido a que la mayoría de currículos pedagógicos y los mismos estudiantes se
preocupan más por memorizar las cosas que por entenderlas, de ahí de la importancia de
que el estudiante asuma y tome control sobre su proceso de aprendizaje (Véase también
Aprendizaje Activo).
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1.1. MO DELO DE KO LB
Durante mucho tiempo se han estudiado lo que se denomina ‘estilos de aprendizaje’
y se han enumerado distintas clases de estas como por ejemplo el denominado VAK
(Visual, Auditory, Kinesthetic) que corresponde a estilos de aprendizaje basados en
imágenes (Visual), escuchar cassettes o hablar con alguien (Auditory) y estar en
contacto físico con algo (Kinesthetic). Kolb por su parte desarrollo un modelo de
aprendizaje basado en la exper iencia, que consta de 4 elementos que son:
1. Experiencia concreta
2. Observación y reflexión
3. Conceptualización abstracta
4. Experimentación activa
Estos cuatro elementos forman un ciclo en donde el proceso de aprendizaje puede
iniciar en cualquiera de ellos y seguir una relación entre los distintos elementos. La
experiencia concreta lleva inmediatamente a observaciones y reflexiones y luego estas
reflexiones son asimiladas como conceptos abstractos que mediante ciertas acciones,
la persona puede probarlos y exper imentar con ellos y luego ser capaces de crear
nuevos experimentos [2], [3]. Estos 4 elementos del modelo de Kolb se pueden
relacionar con procesos que desarrolla una persona en su vida diar ia y en el
aprendizaje en sí, como son el sentir (Experiencia concreta), ver (Observación y
reflexión), pensar (Concept ualización abstracta) y hacer (Exper imentación activa).
A partir de este modelo, Kolb def ine cuatro tipos de estilos de aprendizaje que son la
combinación de 2 elementos por cada uno:
1. Convergente: reúne la concept ualización abstracta y la experimentación
activa con características como la fortaleza en la aplicación de ideas y se
focalizan en el razonamiento deductivo en problemas específicos.
2. Divergente: reúne la experiencia concreta y la observación y ref lexión con
características como una gran habilidad imaginativa, buen generador de
ideas y ve las cosas desde distintas perspectivas.
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3. Asimilador: reúne la conceptualización abstracta y la observación y reflexión
con características como una gran habilidad para crear modelos teóricos y es
bueno en razonamiento inductivo.
4. Acomodador: reúne la experiencia concreta y la exper imentación activa con
características como una gran capacidad haciendo cosas, toma riesgos y
resuelve problemas intuitivamente.[3]
A partir de este modelo de Kolb han surgido m uchas var iaciones y críticas por
distintas personas, pero en princip io este modelo representa la base para el est udio de
un método apropiado de aprendizaje a través de los laboratorios.
1.2. APRENDIZAJE AC TIVO (ACTIVE LEARNING)
La forma tradicional de aprendizaje que se ve en la mayoría de co legios y
universidades del país (incluyendo la nuestra), consiste en un profesor que enseña a los
estudiantes y estos se r igen casi en su totalidad por lo que él dice; esto se considera
como un aprendizaje poco activo. Por otra parte cuando el estudiante toma un mayor
control sobre su proceso de aprendizaje haciendo las cosas por si mismo, investigando
y sacando conclusiones y de esta forma desarrollando mayores y mejores habilidades y
capacidades de aprendizaje, dejando que el profesor solo cumpla un papel de guía; se
denomina aprendizaje activo [4].
Varias investigaciones en distintos institutos y universidades han arrojado muy buenos
resultados acerca del aprendizaje activo en el proceso de aprendizaje de los
estudiantes; por ejemplo en una publicación del “The Physiologist” [5], se dan a
conocer los siguientes resultados acerca de aprendizaje activo:
• Crea la necesidad de pensar cr íticamente para analizar y aplicar información
para resolver problemas.
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• Experiencias de aprendizaje activo tales como los laboratorios ayudan a
desarrollar capacidades cogn itivas más altas de lo normal. “Usted piensa que
entiende algo hasta el momento en que usted lo experimenta”.
• Las actividades de laboratorio permiten al instructor incluir un porcentaje
mas alto de estilos de aprendizaje a los est udiantes y de esta forma proveer
una experiencia de aprendizaje mas exitosa y significativa.
• Diversif icar los tipos de experiencias de aprendizaje y los tipos de
experiencias en laboratorios en un curso ayudan a motivar un número mayor
de est udiantes en este proceso.
• El costo de los laboratorios es justificado por la calidad de las distintas
experiencias que hacen posible que una idea pueda ser probada o trabajada.
Otra fuente importante de información acerca de todo lo que tiene que ver con el
aprendizaje de las personas es el libro “How People Learn” (Como aprenden las
personas) de la National Acedemy Press (NAP) publicado en el 2003[1], en donde se
miran los aspectos importantes y diferentes proceso en los cuales las personas
aprenden y sacan ciertas conclusiones acerca de aprendizaje activo, como son:
• El entendimiento es importante en el aprendizaje; desde este punto de v ista
las personas deben aprender a reconocer cuando entienden algo o cuando
necesitan mayor información para esto.
• Las personas envueltas en un proceso de aprendizaje activo y buscan entender
temas complejos están mejor preparados para aplicar lo que ellos han
aprendido a nuevos problemas.
Como resultados de los est udios de aprendizaje activo se han generado unos métodos
de aprendizaje más específicos como lo son el aprendizaje basado en problemas
(problem-based learning) y el CDIO (Concebir, diseñar, implementar y operar), que se
estudiarán en las siguientes secciones del proyecto.
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1.2.1. CDIO (Concebir, Diseñar, Implementar y Operar)
Esta es una estrategia de aprendizaje que surgió en el 2000 como iniciativa de varias
universidades de Estados Unidos, Europa, Canada, U.K., Africa, Asia y Nueva
Zelanda, donde la fortaleza de la educación en ingenier ía se desarrolla en el contexto
y con base en Concebir, Diseñar, Implementar y Operar [8].
Este método se basa en unas silabas que son las siguientes:
1. Conocimiento y razonamiento técnico.
2. Habilidades y atributos personales y profesionales.
3. Habilidades interpersonales: trabajo y comunicación en equipo.
4. Concebir, diseñar, implementar y operar sistemas en un contexto social y de
empresa.
Un elemento clave del CDIO es el aprendizaje activo ya que aumenta la motivación,
compromiso y retención de los estudiantes, además este tipo de aprendizaje puede
reemplazar fácilmente los laboratorios tradicionales, las actividades son diseñadas para
promover la solución de problemas en un contexto industrial (Aprendizaje basado en
problemas) y se ev idencia lo que son trabajos en grupo.
Una encuesta realizada en la Universidad de Linköp ing en el 2001, acerca de los
ejercicios de laboratorios vistos desde una perspectiva del CDIO arrojaron que la
verificación y/o ilustración de principios y la prueba de estos, son las actividades que
mas se desarrollan; mientras que, el diseño y la formulación de objetivos y
especificaciones son menos comunes; de ahí que se pretenda llegar a un balance de
todas estas.
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1.3 APRENDIZAJE COOPERATIVO
Para cualquier trabajo en general y más que todo en los laboratorios académicos,
encontramos una tendencia marcada a realizar el trabajo en grupos de personas más
específicamente est udiantes. Este proceso de selección de grupo, en cuanto a las
personas que lo conforman y el número de ellas, se da arbitrariamente la mayoría de
veces y ni los estudiantes, ni los profesores son conscientes de ello. Para sup lir estos
vacíos existentes en la dinámica de grupos, se desarro lló un modelo que hace
referencia al ‘aprendizaje cooperativo’ y cuyos postulados principales son los
siguientes [9]:
• El término cooperación hace referencia a que varios individuos trabajen juntos
para obtener metas compartidas.
• En las actividades cooperativas se buscan beneficios tanto individuales como
de grupo.
• Aprendizaje cooperativo es el uso instructivo de pequeños grupos, en donde los
estudiantes trabajan juntos para maximizar el aprendizaje propio y el de cada
uno de los otros.
• “Ubicar estudiantes en grupos y decir les que trabajen juntos no basta para
lograr una cooperación”.
• Los componentes esenciales de la cooperación son:
1.3.1 Interdependencia positiva: o Los miembros del grupo son conscientes de que ellos están conectados
con los demás de tal forma que ninguno puede llegar a ser ex itoso sin que
el otro también lo consiga.
o La interdependencia positiva resalta los siguientes dos puntos:
a) El esfuerzo de cada miem bro del grupo es necesario e
indispensable para el éxito del grupo.
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b) Cada miembro del grupo tiene una contribución única para hacer
para el esfuerzo conjunto debido a sus recursos, ro les y/o
responsabilidades sobre un aspecto.
o En cuanto a esta interdependencia positiva, cabe resaltar que se deben
definir roles o funciones específicas para cada integrante del grupo y estas
a su vez deben ser diferentes para cada uno, pero que en su conjunto
busquen un mismo fin. El mejor ejemplo de esta parte es un equipo de
fútbo l donde cada jugador está en una posición determinada donde debe
cumplir una función específica, pero todos en conjunto tienen una misma
meta que es hacer gol y no dejárselo hacer. Desde esta perspectiva se
puede observar quien falla y si alguien falla, todo el equipo falla.
1.3.2 Prom over interacción cara a cara: o Cuando los estudiantes prom ueven el aprendizaje de los otros se
desarrollan actividades cognitivas y dinámicas interpersonales
importantes, tales como: explicación oral de cómo resolver un problema,
enseñar conocimiento a los otros, preguntar para ver si se entendió algún
tema, discutir temas aprendidos y conectar aprendizaje presente con
pasado.
o En el aprendizaje cara a cara los miembros se comprometen
personalmente uno con otro, así como sus metas mut uas.
1.3.3 Responsabilidades individuales y grupales:
o El grupo debe ser responsable de alcanzar sus metas y cada miembro
debe ser responsable de contribuir con su parte del trabajo.
o El propósito del aprendizaje cooperativo es hacer a cada miembro del
grupo más fuerte en su campo. Los est udiantes aprenden juntos, así que
subsecuentemente pueden ganar una mayor competencia individual.
1.3.4 Habilidades interpersonales y de pequeños grupos:
o Habilidades sociales deben ser enseñadas a los estudiantes de una forma
útil y precisa así como las habilidades académicas.
o Habilidades de liderazgo, toma de decisiones, conso lidación de la
confianza, comunicación y solución de conflictos capacitan a los
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estudiantes a manejar exitosamente tanto trabajo en equipo como sus
tareas de trabajo.
1.3.5 Procesamiento Grupal:
o El procesamiento grupal existe cuando los miembros de un grupo
discuten que tan bien están logrando las metas y que tan bien se están
manteniendo relaciones de trabajo efectivas.
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2. LABORATORIO S ACTUALES (EN G ENERAL) Y EXPERIMENTACIÓ N
EN EL PROCESO DE APRENDIZAJE
Por medio de varios estudios e investigaciones ya es claro que existe un vacío entre la
teoría y la práctica en la educación en todo el mundo y el llamado es a buscar que este
hueco se haga más pequeño y /o se cierre. Parte del problema surge en que el término
‘académico’ se ref iere a algo que se ‘aprende’ teóricamente, pero que no es
experimentado en el mundo práctico real [10]; entonces, es necesario encontrar un
balance entre estas dos partes y desde una perspectiva de investigación, se requiere
generar nuevas ideas a los ingenieros que son las personas que pueden aplicar las [10].
En estos momentos ya se tiene una noción de que la experimentación cumple un papel
importante en el aprendizaje y esto es demostrado por frases como por ejemplo: Lewin:
“el aprendizaje toma forma cuando una persona interactúa o es estimulada por un
ambiente que lo rodea” y Einstein : “Yo nunca enseño a mis pupilos; yo solo ayudo a
proveer las condiciones en las que ellos aprenden” [11]. Se cree de una forma muy
certera que los estudiantes deben ser capaces de tocar y sentir el problema a solucionar
y que el aprendizaje es influenciado de forma fundamental por el contexto en donde se
esta efect uando; además, se deben utilizar conex iones al mundo real que apoyen y
soporten el aprendizaje.
“Las experiencias de laboratorio brindan a los estudiantes oportunidades de interactuar
directamente con el mundo material, usando las herramientas, modelos y teoría” [12].
Otro de los grandes problemas que se encuentran en los sistemas de laboratorios de
varias (por no decir de todas las) universidades en el mundo según la NAP [12], es la
falta de claridad en la def inición y objetivos de estos. Aparte de esto, históricamente, las
prácticas de laboratorio han estado desconectadas del desarro llo de la teoría en el salón
de clases, aunque este tema es de discusión para saber la pertinencia de ver las dos cosas
al tiempo o una antes de la otra. Las prácticas de laboratorio se están integrando cada
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vez más con actividades de aprendizaje como lect uras y discusiones para lograr un
mejor proceso.
Según el libro “America’s Lab Report” de la NAP (2005), existen 4 principios de diseño
estructural que pueden ayudar a las prácticas de laboratorio a lograr sus objetivos. Estas
son:
1. Estar diseñadas con objetivos de aprendizajes claros.
2. Estar bien pensadas acorde a la secuencia de lo que se ve en el salón de clase.
3. Estar diseñadas para integrar un aprendizaje de los contenidos de la materia
con las aplicaciones de esta.
4. Incorporar reflexión y discusión de los estudiantes.
Todos estos huecos generales existentes en las guías de laboratorios de la mayoría de
universidades y hablando específ icamente de la de nosotros (Andes), son las que
generan el estudio y planteamiento de una reestructuración de estas.
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3. LABORATORIOS DE CONTROL
Para el desarrollo de la guía de prácticas de Control que queremos realizar, podemos
empezar con la revisión de los modelos aplicados en otras universidades e institutos y la
visión que da la IEEE Control Magazine acerca de estas.
3.1. VIS IÓN GENERAL
En los distintos centros educativos del mundo ya se han dado cuenta de ciertas
falencias enunciadas anteriormente en este tipo de laboratorios y se está dando una
reestructuración generalizada de estos. En cuanto al área de control podemos decir que
ya está claro que éste es un tema interdisciplinario [13] y como tal, se están
desarro llando los laboratorios donde intervienen distintas facultades tanto de
ingenier ía (Mecánica, Química, Civil, Industrial, Eléctrica y Electrónica), así como de
ciencias básicas como Física y Biología. Se considera que “un acercamiento
interdisciplinario en la educación en el área de Control es más efectivo que sus propios
beneficios educacionales, más allá de simplemente la reducción de costos” [13].
Otros aspectos en los que se han innovado, es en la generación de laboratorios
virtuales (v ía web) y remotos en donde ya no se necesita el contacto físico con la
planta sino a través de Internet poder interactuar con ella y con programas de
simulación, etc. La mayoría de guía de laboratorios de otras universidades se basa en
el diseño, implementación y prueba; pero más allá de esto, la metodología utilizada
para los laboratorios como para los cursos teóricos esta basada en criterios de
acreditación u otros estándares. Uno de los criterios de acreditación más importantes
actualmente y a los que la mayoría de un iversidades importantes y de vanguardia
tecnológica se intentan acoger, son los requerimientos de acreditación ABET2000 [14]
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[15.a] (Accreditation Board for Engineering and Technology) que son una serie de
criterios de cierta forma ideales, pero tangibles y medibles, que representan las
características que debe tener tanto estudiantes, como el programa del curso y la
misma facultad entre otros (dentro del ám bito de la Ingenier ía), para llegar a ser
competitivos y más que esto, que se logre un buen proceso de aprendizaje así como
una uniformidad educativa (estándar) entre las universidades.
Las responsabilidades que tiene que asumir los programas de ingeniería para
acomodarse a los criterios ABET2000, básicamente consisten en [15.b]:
1. Plantear sus propias metas (objetivos) para conciliar las necesidades de los
estudiantes con los de la facultad y la entidad educativa.
2. Crear un programa de ingenier ía (curr ículo y otras partes requeridas del programa)
que satisfagan estas metas (Resultados).
3. Diseñar e implementar estrategias para determinar que tan bien están siendo
logradas estas metas.
4. Usando los resultados del punto 3, mejorar el programa tratando de superar las
def iciencias para lograr una mejor conciliación de las distintas necesidades.
3.2. ENCUES TAS
Se realizaron dos encuestas a estudiantes de la Universidad de Los Andes, de las
distintas carreras que ven la materia de Sistemas de Control (Ingenier ía Eléctrica,
Electrónica, Mecán ica y Química) y por ende el laboratorio de prácticas. La primera
fue a principios del semestre (2006-I) y se realizó a estudiantes que ya habían visto la
materia en semestres anteriores preguntándoles sobre distintos aspectos y opiniones
acerca de estos laboratorios; la segunda encuesta se realizó al f inalizar el semestre
(2006-I) y se realizó a est udiantes que acababan de ver la materia y por lo tanto las
respuestas fueron de acuerdo al laboratorio y guías más actuales que hay en el
momento en la Universidad. El fin de estas encuestas no es sacar porcentajes
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estadísticos o algo parecido, sino saber la opin ión de los alumnos y a partir de esta
sacar algunas conclusiones y resultados que fueron los siguientes:
Encuesta 1:
(El formato de la encuesta 1 se puede encontrar como anexo A.1.)
• La mayoría de los est udiantes conocían los objetivos de las prácticas y consideran que se cumplieron.
• Para la pregunta 4 se establecen grandes diferencias sobre todo para las personas
de Ing. Química quienes consideran que no tenían los conocimientos previos
necesarios para abordar el laboratorio.
• Concuerdan en su gran mayoría que fueron estudiantes pasivos frente al
laboratorio.
• El número de personas que consideran que aprendieron es similar al que dice que
no. Igualmente los que p iensan que les va a serv ir en su vida.
• El laboratorio trató de aportar algo nuevo.
• La mayoría de encuestados piensan que la metodología utilizada no fue apta para
el aprendizaje y no les gustó el mismo.
En cuanto a las preguntas de opin ión 12, 13 y 14, se obtuvo lo siguiente:
• Ing. Mecánicos:
o Mas dinámicas e interesantes
o Aplicadas a la carrera.
o No so lo controlar temperatura.
o Incomodidad en puestos de trabajo
• Ing. Electrónicos/icos:
o Reflejar teoría – minimizar abstracción de conceptos teóricos.
o Algo práctico y que se puedan observar claramente los resultados.
o Desarrollar las prácticas luego de haber visto el tema en clase.
o Focalizar las prácticas sobre el concepto a trabajar.
o Plantear problema y que el estudiante busque la mejor so lución.
Apoyado por una buena clase teórica.
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o Dejar espacio a la creatividad del estudiante.
o Se trabaja sin saber lo que se hace.
o Integrar laboratorios de otras materias.
o No es claro para gente de otras carreras.
o No dar todo tan machacado.
o No exigen mejoras de técnicas de diseño.
• Ing. Químicos:
o Falta de bases – guía como base conceptual, dar referencias y
documentación.
o Algo relacionado con química.
o Otras formas de aplicar los mismos conceptos en otros campos.
o Dejar en claro la aplicación en la realidad de los conceptos y
experimentos.
o Llegan muy perdidos y no hay consciencia por parte de profesores y
asistentes acerca de esto.
o Balance entre conocimientos previos y autoaprendizaje.
o Les toca buscar información por su cuenta - Aprenden. (Positivo).
o Capacitación y nivelación de manejo de instrumentos y otros conceptos.
En total se encuestaron 24 estudiantes de la Universidad de Los Andes, entre los
cuales 6 eran estudiantes de Ingenier ía Química, el mismo número de estudiantes de
Ingeniería Mecánica y 12 estudiantes de Ingenier ía Eléctrica y Electrónica. Estos
estudiantes vieron el curso de Sistemas de Control con el respectivo laboratorio en un
amplio rango de tiempo que oscila más o menos entre el semestre 2003-I y el 2005-II,
lo que sugiere una dif icultad en la encuesta ya que en ese lapso de tiempo es muy
probable que se hayan visto var ias versiones distintas del laboratorio (al menos 2) y
no podamos establecer cuales eran los que fallaban y cuales no. En varias de las
preguntas no se podía establecer una tendencia clara de respuesta, pero en otras si se
pudieron establecer resultados importantes como los expuestos anteriormente; para
tratar de suplir esta dificultad con la encuesta 1 y establecer conclusiones con el
sistema actual de guía de laboratorio de Control y el laboratorio en sí, se realizó la
encuesta 2 a 10 estudiantes y un asistente del laboratorio, obteniendo lo siguiente:
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Encuesta 2: (El formato de la encuesta 2 se puede encontrar como anexo A.2.1. y A.2.2 para el
estudiante y el asistente respectivamente)
Aspectos Positivos de la metodología del laboratorio:
o Sistema simple de montar.
o Datos fáciles de tomar.
o Herramientas industriales y de tecnología de punta (estudiantes y
asistente).
o Se ven los conceptos teóricos de clase.
o Se ve ‘control’ en un sistema real.
o Preparar preinforme antes de la práctica.
Aspectos negativos de la metodología del laboratorio: o Falta de tiempo en algunas prácticas.
o No hay ex igencia suficiente.
o Las prácticas están diseñadas para que el est udiante no aprenda, sino
simplemente siga instrucciones.
o Los ingenieros químicos no necesitan saber acerca de circuitos.
o Falta mejorar la práctica de PLC’s ya que resulta poco clara y
desmotivante (estudiantes y asistente).
o Falta más trabajo autónomo por parte del est udiante para un mejor
aprendizaje (asistente).
o No se promueve la investigación.
o “Se hacían las cosas por cumplir”.
o A veces no funcionaban las herramientas.
Prácticas motivantes para el estudiante: o Las de diseño de controladores de temperatura para el horno en Labview
(estudiantes y asistente).
Prácticas desmotivantes para el estudiante: o “Tal vez la mas importante, como es el manejo de PLC´s, fue la de menos
interés y motivación ya que no hubo introducción y la verdad no es fácil
de entender el funcionamiento de estos” (est udiante).
o “Poca motivación en la práctica de implementación de control por PLC’s”
(asistente).
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Aspectos Positivos Guías de Laboratorio:
o Explican paso a paso.
o Son bastante claras y elaboradas (asistente).
o Se facilitan tutoriales de los programas a trabajar.
Aspectos negativos Guías de Laboratorio:
o Limita al estudiante.
o “Las guías de laboratorio están diseñadas para que uno no aprenda, viene
tal especif icado lo que uno tiene que hacer, y esto genera que el estudiante
actué mecánicamente sin importar si lo hace bien ó mal, uno solo sigue
algo que ya esta hecho, no permite que uno aprenda a utilizar
adecuadamente el programa. Lo mismo ocurre en el laboratorio de los
PLC s, es tal vez de vital importancia aprender a programar uno ó mas de
ellos en el curso, una herramienta tan costosa no puede ser vista de una
manera superf icial”.
o La práctica de PLC’s está mal diseñada.
o Guían demasiado al estudiante (asistente).
Im plementación de nuevas guías m enos guiadas:
o “Si, creo que se debería instruir al estudiante a la programación, y después
guiarlo de cómo diseñar el controlador requer ido, pero no hacerle todo el
trabajo”.
o “Si, aumentaría mas el interés y profundización por parte del estudiante.”
o “Si. Lo ideal sería que las guías dieran mas libertad a los estudiantes, sin
ser am biguas” (asistente).
Características que debe tener un asistente:
o “Este dispuesto a atender tus dudas y a colaborar en las cosas que se te
dif iculten y no que haga caso omiso de las inquietudes que uno tiene, ya
que esto lo desmotiva a uno”.
o Paciencia.
o Deben ser conscientes del grado de conocimiento y manejo de los
estudiantes.
o “No pretender que los estudiantes lo sepan todo”.
o Buen trato a los estudiantes.
o “Yo les ayudo en todo lo que necesiten, tratando de que investiguen y
saquen sus conclusiones por si mismos” (asistente).
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22
Relación estudiante-asistente:
o Estudiantes dependían en un 80% del asistente.
Necesidad guía del asistente (asistente):
o Sí, deber ía contener Metodología a desarro llar durante el laboratorio,
reglas y normas del laboratorio, matrices de autoevaluación
estandarizadas.
3.3 NUEVO S LABORATORIOS
Tras toda la investigación prev ia realizada, junto con las encuestas y los resultados
arrojados por estas y más las investigaciones desarrolladas de forma paralela y separada
sobre temas relacionados, por parte de los estudiantes Juan Pablo Luquerna [16a.] y
Mariam Triviño [16b.], de aquí en adelante se realizó un trabajo colaborativo entre los
tres, dando como resultado la siguiente caracterización para el sistema de prácticas de
laboratorio de Control, en donde se desea establecer una serie de metas a cumplir luego
de un periodo de aplicación. Estas metas se resumen en una meta global y var ias que
subyacen de esta y que se pueden generalizar a cualquier tipo de laboratorio de
cualquier discip lina. Estas metas tratan de ajustarse en la mejor forma posible a los
criterios ABET 2000 [15.a] en su cr iterio 3 (Resultados del programa y Asesoría)
principalmente. Estas son:
• Lograr el aprendizaje de los estudiantes en el área de control a través de
prácticas encaminadas hacia la investigación y el autoaprendizaje.
o Aumentar la responsabilidad del estudiante sobre su aprendizaje.
(ABET2000, 3f).
o El est udiante podrá analizar un problema de forma crítica y plantear
soluciones a éste. (ABET2000, 3b, 3c, 3e).
o Aplicar conocimientos de matemáticas, ciencias e ingeniería (ABET 3a).
o Desarrollar una habilidad de expresarse efectivamente en presentaciones
donde se quieran ver resultados y procedimientos claros (ABET 3g).
IEL2-I-06-34
23
o Tener un enfoque interdisciplinario así como grupos de trabajo
multidisciplinario. (ABET2000, 3d).
o Ilustrar las aplicaciones del Control en un contexto industrial y real.
(ABET 2000, 3h).
Para lograr estas metas, planteamos una reestructuración tanto del sistema de prácticas
de laboratorio como la metodología en la que estas se desarrollan. Estas características
las podemos resumir en las siguientes:
o Se conformarán grupos de 2 estudiantes que trabajarán durante todo el semestre,
preferiblemente que sean de distintas carreras con el ánimo de dar le un ambiente
interdisciplinario al laboratorio. Se proponen grupos de 2 estudiantes ya que con
este número de estudiantes se puede aplicar mejor el aprendizaje cooperativo en
sus 5 puntos y también basados en un est udio realizado en una tesis por France
Campos de la Universidad de Los Andes en el año 2004 [18] (Anexo B.).
o Al principio del semestre el grupo de est udiantes escogen un proyecto sobre el
cual desean trabajar, esto consiste en la escogencia de una planta con la que se
trabajará todo el semestre.
o Al grupo de est udiantes se le hará entrega de un conjunto de materiales y
equipos al comenzar el semestre que incluyen: planta, manual, guía de
laboratorio para el est udiante (vía web)* (Anexo C.) y demás elementos que
requieran para la ejecución autónoma de las prácticas. Todo esto deberá ser
devuelto al finalizar el semestre en perfecto estado.
o El asistente cumplirá fundamentalmente una función de guía en las prácticas de
laboratorio; esto significa que dará las pautas y objetivos a cumplir en dicha
práctica, y de resto brindará una orientación acerca de cómo los estudiantes
pueden resolver sus dudas y problemas sin ser él la persona que lo haga.
o Al asistente se le dará una ‘guía de laboratorios de asistente’ (Anexo D.) en
donde se encuentran los objetivos de cada práctica, una metodología para el
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24
desarrollo de cada sesión, un Como se podría abordar el problema y un método
de evaluación soportado por una matriz.
o La estructura de una sesión de laboratorio (guía del estudiante Anexo C.),
consiste de unas ‘secciones’ que son: un resumen, los objetivos de ésta, los
materiales necesario para la sesión, el tiempo previsto para el desarrollo de ésta
por parte del estudiante tanto presencial como de trabajo individual, los
conceptos de control que se trabajarán, una preparación del trabajo, unas
preguntas de desarro llo de la práctica que involucran las fases de aprendizaje de
kolb como se explica en el anexo de la guía del asistente (Anexo D.), un espacio
para anotaciones libres del estudiante y otro espacio para realizar memorias de
cálculos realizados para la sesión y por último referencias bibliográficas
sugeridas para revisar e investigar.
o La guía del asistente (Anexo D.) por su parte tiene casi las mismas secciones,
pero difiere en que en ésta se le dan unas pautas al asistente para dirigir el
laboratorio, así como un Como se podría abordar el problema de so lución a éste
y un método de evaluación reflejado en una matriz para cada sesión.
((*) Ver Conclusiones y Perspectivas)
Los temas que se requieren estudiar en un curso de Sistemas de Control, a nuestro
criterio y basados en la teoría expuesta anteriormente (modelos de aprendizaje,
laboratorios de Control en el mundo, etc.) se dividen en 3 grandes partes que son:
1. Modelamiento de la Planta y control manual.
2. Control Continuo
3. Control Digital
En las partes 2 y 3 se trabajará en diseños, simulaciones e implementación de
reguladores, mientras la parte 1 es más de familiarización con la planta y las
herramientas de control. Todo esto se encuentra más detallado en las matrices de
descr ipción del laboratorio que se encuentran en la guía del asistente (Anexo D.).
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25
CONCLUSIONES Y PERSPEC TIVAS
• Con el trabajo se propone una alternativa distinta de guías de laboratorios de
Control en cuanto a su metodología y sistema educativo, dándole un nuevo
enfoque y dinámica que supone una mejora en el aprendizaje de los
estudiantes.
• Con el proyecto surge una innovación en el sistema de laboratorios y es el
brindarle una guía al asistente donde él puede encontrar una forma sugerida de
abordar el laboratorio y relacionar lo con el trabajo del est udiante, además de
mostrar un análisis básico de los Tanques Acop lados para ser utilizados en un
laboratorio de control.
• Este proyecto da un primer paso para una aprox imación a un nuevo sistema de
guías de laboratorio y el laboratorio en su conjunto, el cual puede preceder
otros proyectos que busquen perfeccionarlo y solidificarlo para en un futuro
estandarizarlo si es posible.
• Las guías diseñadas tanto del estudiante como del asistente cuentan con un
sólido respaldo teórico basado en investigaciones realizadas en el mundo
acerca de estrategias de aprendizaje que fueron planteadas en este documento.
Se buscó aplicar los aspectos más importantes de estas estrategias en las guías
para hacer las sólidas tanto a ellas como al proceso educativo que las rodea;
más que todo se trataron de adaptar estas guías en un ciclo de Kolb donde a
nuestro modo de ver intervienen los procesos más importantes que se llevan a
cabo en el aprendizaje, sin dejar de lado aspectos relevantes del aprendizaje
activo, aprendizaje cooperativo para el trabajo en grupo y el sistema de
acreditación para programas de ingeniería ABET2000. Sin embargo como ya
dije anteriormente quedan aspectos que se pueden mejorar y complementar, así
que éste proyecto queda abierto a eso, pero ya se puso la primera piedra en el
IEL2-I-06-34
26
camino para la implementación y desarrollo de laboratorios sólidos en cuanto a
su base educacional y de aprendizaje.
• Las limitaciones que se encontraron en el desarro llo de éste proyecto, fueron la
obtención de los manuales de las p lantas a comprar (Tanques acop lados de
Quanser [17]) y así mismo la ausencia de ellas. La primera parte generó
inconvenientes en cuanto a la implementación de la guía del asistente ya que
no se conocían las características de la p lanta; aunque para la guía del
estudiante no representó mayor inconven iente ya que estas se diseñaron de una
forma general para poder ser aplicada a cualquiera de las p lantas. La segunda
parte causó que no se pudieran probar físicamente las guías sobre las p lantas.
• (*)Quedar ía para un proyecto posterior probar las guías físicamente sobre las
plantas y generar los vínculos y enlaces necesarios con el libro virt ual, así
como los espacios web que se requieran para montar las guías.
• Es necesar io seguir trabajando en encaminar no sólo las prácticas de
laboratorio, sino también los cursos teóricos con base en estos estudios de
métodos de aprendizaje, así como en el estándar de acreditación ABET2000
que sugiere un reto y un compromiso para la facultad de Ingeniería en busca de
un mejor y más eficiente modelo de enseñanza y aprendizaje.
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27
REFER ENC IAS B IBLIO GRAFICAS
[1] “How People Learn”, National Academy Press, 2000.
[2] http://www.businessballs.com/kolblearn ingstyles.htm
[3] http://www.infed.org/biblio/b-explrn.htm
[4] http://www.nald.ca/adultlearningcourse/glossary.htm
[5] The Physiologist, Volumen 48, No. 4. Agosto 2005. (http://www.the-
aps.org/publications/tphys/2005html/AugTphys/statement.htm)
[8] http://www.cdio.org/index.html
[9] http://www.co-operation.org/pages/cl.html#interdependence
[10] ”Theory and Practice”, IEEE Control Systems Magazine, 1999.
[11]”The Role of Exper ience in learning”, Hansen Ronald E., Journal of Technology
Education, Vol. 11 No. 2, Spring 2000.
[12] ”American 's Lab report” (http://www.nap.edu/catalog/11311.html). National
Academy Press (http://www.nap.edu/).
[13] ”An Interdisciplinary, Interdepartmental Control System Laboratory”, IEEE
Control Systems Magazine, February 2005.
[14] http://www.abet.org/
[15.a] http://www.me.unlv.edu/Undergraduate/ABET2000Requirements.html
[15.b] http://www.me.un lv.edu/Undergraduate/ABET2000Background.html
[16a] “Desarrollo de nuevas guías de Laboratorio de Control utilizando la nueva planta
de Péndulo Invertido Simple”. Luquerna, Juan Pablo. Universidad de Los Andes.
[16b] “Propuesta para nuevos Laboratorios de Control”. Triviño, Mariam. Universidad
de Los Andes.
[17] http://control.ee.ethz.ch/~ifa-fp/ifa-2.8/CoupledTanks_User.pdf
[18] “DEE-DO's-DA: metodología para la conformación de verdaderos equipos de
trabajo por medio de la metáfora del juego”. Campo, France Nicolas. Un iversidad de
Los Andes, 2005.
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ANEXO A.1.
1. Carrera que est udia/estudió:
Ing. Eléctrica/Electrónica_____Ing. Mecánica_____Ing. Química_____
2. Semestre en que tomó el laboratorio de Control:
2002-I___2002-II___2003-I___2003-II___2004-I___2004-II___2005-I___2005-II
3. Conoció los objetivos del laboratorio de Control?
Si______NO______
3.1. Si su respuesta es afirmativa:
Cree que el laboratorio cumplió con sus objetivos?
Si______NO______
4. Tenía usted los conocimientos previos necesarios para desarrollar el laboratorio?
Si______NO______
5. Cree usted que el laboratorio sirvió para profundizar los temas vistos en clase?
Si______NO______
6. Según las siguientes definiciones, usted t uvo una participación activa o pasiva en el
desarrollo de las practicas de laboratorio?
_____Activa: se tenía libertad en la forma de desarrollar las prácticas y podía
experimentar y profundizar a su criterio sobre estas.
_____Pasiva: el asistente y/o las guías de las prácticas le decía lo que tenía que
hacer de una única forma, concreta y que más parecía una receta.
7. Usted aprendió del laboratorio?
Si______NO______
8. Cree usted que lo visto en el laboratorio le sirva en su vida profesional y/o personal?
Si______NO______
9. El laboratorio le aporto algo nuevo?
Si______NO______
10. Le pareció que la metodología utilizada en el laboratorio fue apta para su proceso de
aprendizaje?
Si______NO______
11. Le gustó el laboratorio y los temas vistos en éste?
Si______NO______
12. Usted como estudiante, cómo cree que es la mejor forma de implementar unas guías
de prácticas de laboratorio para que usted aprenda y le saque el máximo provecho a
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éste?__________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
13. Indique brevemente los aspectos buenos y malos que encontró en el desarrollo de las
prácticas del laboratorio de Control.
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
14. Comentarios u observaciones.
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
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ANEXO A.2.1.
1. Qué aspectos positivos y negativos puede destacar de la metodología utilizada para el
desarrollo de las prácticas?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
2. En qué prácticas usted como est udiante se sintió motivado y en cuáles no? Por qué?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
3. Qué aspectos positivos y negativos puede destacar de las guías de laboratorio?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
4. Cree que las guías son demasiado guiadas? Explique aspectos positivos y negativos
que usted encuentra en este hecho.
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
5. Cree usted que ser ía mejor otra alternativa de guías, donde se le da cierta libertad al
estudiante para su desarrollo? Por qué?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
6. Cómo era la relación est udiante-asistente en cuanto a su proceso de aprendizaje?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
7. Qué tanto dependía usted como estudiante del asistente?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
8. Considera que usted aprendió con dichas prácticas? Diga sus op iniones de posibles
mejoras de estas.
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
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ANEXO A.2.2.
1. Qué aspectos positivos y negativos puede destacar de la metodología utilizada para el
desarrollo de las prácticas?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
2. En qué prácticas notó más motivación y en cuales menos, por parte del est udiante?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
3. Qué opinión le merecen las guías de laboratorio a usted como asistente? (Aspectos
positivos y negativos)
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
4. Cree usted como asistente que las guías están demasiado dirigidas para los
estudiantes?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
5. Cree usted que cabría la posibilidad de implementar unas guías menos dirigidas y con
mas libertad para los estudiantes?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
6. Cree usted que hace falta una guía de laboratorio para el asistente?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
6.1. Si su respuesta es afirmativa ala pregunta 4, qué cree que debería contener esta
guía?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
7. Cómo es su relación con los est udiantes en cuanto al proceso de aprendizaje de ellos?
_____________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
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ANEXO B.
Aparte de la Tesis de France Campos “DEE-DO's-DA: metodo logía para la conformación de verdaderos equipos de trabajo por medio de la metáfora del juego”. (…) El diálogo tiene var ias características, unas que lo definen y otras que son consecuencias de su defin ición. Como bien lo describe la propia palabra, el diálogo es una circunstancia que se da entre dos (y sólo dos) personas. Para que ocurra el diálogo debe existir un emisor y un receptor, quienes cambian constantemente su rol, y gracias a dicha dinámica permiten en una gran proporción de los casos desarrollar nuevas ideas. Esquemáticamente, el diálogo se puede representar como sigue:
Cuando se in icia un diálogo entre dos personas, normalmente una inicia con una idea “A” sobre las cosas y la segunda con una idea “B”. Cuando se da efectivamente el diálogo entre estas dos personas, al escuchar A a B, el primero termina pensando A’ mientras que al escuchar B a A termina este segundo pensando B’ en donde definitivamente A’ no tiene por qué ser B ni B’ tiene que ser A, pero eso sí, A’ es una idea más robusta que A (pues aprovecha las fortalezas e ideas que a A le parecieron importantes) y de forma análoga le ocurre a B’68. Adicionalmente podemos decir que ya que A’ contempla algunas de las ideas de B, y similarmente B’ de A, A’ y B’ son en particular ideas más sim ilares que lo que eran A y B in icialmente. Es por esto que un verdadero diálogo es el mecanismo propio del ser humano mediante el cual se pueden generar las ideas más robustas posibles, y al mismo tiempo y sin darse cuenta (por la naturaleza del diálogo), las ideas terminan siendo cada vez más similares u homogéneas, y de ahí, menos propensas a generar conf lictos o po los. Es por esto que también se puede concluir que si se realizaran inf initas “rondas” de diálogos se podría pensar en que tanto A como B terminarían por concluir una sola idea homogénea, aunque no por
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esto incompleta o no robusta, ya que por el contrario el mecanismo del diálogo asegura que dicha idea (representada en el esquema con una “estrella”) contempla las fortalezas de la idea in icial de A así como de las de B (robusta) y que convence a am bos (homogénea). Espacios para el dialogo Si ex isten sólo dos personas en el grupo siempre es posible encontrar un día a la semana en el que ambos puedan encontrar un tiempo libre para reunirse (de ahí que no surja dif icultad alguna en por ejemplo programar citas “al son de un tinto” para sentarse a dialogar), sin embargo cuando el número de integrantes aumenta, la dificultad de encontrar un día libre aumenta en forma explosiva. Dicha dificultad hace que el trabajar en equipo sea una tarea engorrosa, también pudiendo conducir al GP (Grupo de Personas) a no convertirse nunca en un VET (Verdadero equipo de Trabajo) por la gran cantidad de energía que debe ser utilizada simplemente en lograr encontrar un espacio común para que todos se reúnan. (…)
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ANEXO C.
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IEL2-I-06-34
IEL1-2202 - LABORATORIO DE ANALISIS DE SISTEMAS DE CO NTRO L Departam ento de ingeniería eléctrica y electrónica
GUIA DEL ESTUDIANTE
LABORATORIO DE SISTEMAS DE CONTROL PROYECTO TANQUES ACOPLADOS
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INTRO DUCC ION AL CONTROL DE TANQ UES ACO PLADOS
El control de nivel de fluido en tanques es un problema que existe desde tiempos antiguos como por ejemplo en el año 300 a.C. un griego llamado Ktesebios creo un reloj de agua que consistía en un par de tanques acoplados donde el nivel del segundo tanque determinaba un desplazamiento de un indicador de una escala de tiempo como muestra la figura 1. Otros ejemplos referentes al tema son el dispensador de vino creado en el año 50 d.C. por Heron de Alejandría (Figura 2.), un bebedero de animales creado en el siglo 9 y el primer problema explicito de control de nivel de una caldera hecho por Thomas Word en 1784 (Figura 3.).
Figura 1. Figura 2.
Figura 3. Figura 4.
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Aparte de estos ejemplos de control de nivel que se remontan a mucho tiempo atrás, también podemos encontrar otros en nuestra vida diar ia y casi ni nos damos cuenta; un ejemplo de esto es el tanque de los inodoros en el que al abr ir una válvula se deja fluir agua hasta que prácticamente se desocupa el tanque y se cierra de nuevo la válvula. Otro ejemplo sencillo de tanques donde se dosifica el flujo de un líquido, son los tanques de reserva de agua de las edificaciones. Como vemos, podemos encontrar bastantes ejemplos de control de nivel en tanques, pero donde mas podemos ver y aplicar soluciones a este problema es en la industria como por ejemplo en la industria química como en las Petroquímicas, en industrias donde se trabaja el tratamiento de aguas y en industrias de papel. Como ejemplos industriales reales donde se utilizan tanques acop lados podemos encontrar la ‘Planta de Tratamiento de Aguas Residuales San Fernando’ 1 ubicado en el municipio de Itagüí, Co lombia, allí como su nombre lo indica se procesan las aguas residuales proven ientes de los hogares e industrias con el fin de descontaminarlas para su nuevo uso y para esto se utilizan una ser ie de tanques que realizan un proceso determinado sobre el agua. Otro ejemplo importante es el acoplamiento de lagos artificiales donde por ejemplo en Austria podemos encontrar quizás el sistema mas grande de ‘tanques acoplados’ del mundo ; éste es el Silveretta Strausse que tiene 2034 metros de alto y está acoplado con el Verm unt Strausse de 1717 metros. Como vemos, este problema de control de nivel en tanques acoplados lo podemos encontrar en varias situaciones de la vida y en un contexto industrial, real y profesional por lo cual es importante conocer un poco de sus características y soluciones al problema que es lo que busca obtener al final del desarrollo de esta guía.
1 http://www.eeppm.co m/servicios/Saneami ento/San %20Fern ando/san ferna.ht m
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Matriz Guía de actividades : (Sesiones con * se podrían realizar en horas de clase con el fin de integrar mejor la clase teórica con el laboratorio y compartir colectivamente los resultados obtenidos en clase)
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PARTE 1: MODELAMIENTO DE LA PLANTA
UNIDAD 1: Conocer la planta Sesión 1: Expe rimentación sobre la planta
1 .1 Resumen
El estudiante se familiarizará con la planta, investigando las conex iones físicas y eléctricas de esta. Luego el est udiante manipulará la planta utilizando estímulos en sus diferentes señales de entrada mediante herramientas que brinda matlab, encontrando relaciones de causalidad entre las entradas y las salidas.
1.2 Objetivos
• Identificar conexiones físicas y eléctricas • Identificar las variables a controlar • Establecer los requerimientos eléctricos y físicos necesar ios para la correcta
operación de la p lanta • Adaptarse a la herramienta que brinda Matlab para la comunicación con la
planta. • Interactuar con la planta utilizando una interfase con Matlab.
1.3 Evaluación
• Aplicativo de Matlab interactuando con la p lanta y mostrando curvas de datos. • Notas de cuaderno de diseño donde se muestre las conexiones eléctricas y el
modelo físico, así como el entorno desarro llado en matlab. • Descripción de las relaciones de causa-efecto encontradas.
1.4 Materiales
• Planta de Tanques Acoplados. • Un computador donde esté instalado Matlab. • Tarjeta de adquisición de datos compatible con la planta seleccionada • Una fuente de poder para la planta. • Guía del estudiante.
1.5 Tiempo previsto
• Presencial dos horas • Trabajo independiente estimado media hora
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1.6 Conceptos que se trabajarán en la sesión
• Sistemas • Sistemas de control • Tarjeta de adquisición de datos • Física
Preparación del trabajo
• Recuerde que para el desarrollo de la práctica hay una serie de preguntas a responder antes, durante y después de esta que se encuentran contenidas en esta guía.
• En esta práctica se utilizará matlab como instrumento de interacción con la planta.
• Observe muy bien el comportamiento de la p lanta para identificar las variables que la componen.
Exploración previa – Que creemos saber
1. ¿Qué p iensa usted que es un sistema?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. ¿Qué sabe o piensa es un sistema de control? De ejemplos.
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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Desarrollo de la práctica 1. Explique brevemente cómo observa que opera este sistema.
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. ¿Cuáles son las var iables del sistema de Tanques Acoplados? ¿Cuáles de ellas
son entradas, salidas y cuáles perturbaciones?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3. ¿Cómo y con qué se pueden medir estas variables?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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4. Haga un esquema físico del sistema donde indique las fuerzas que actúan sobre él.
5. Dibuje un esquema de conexión en el que aparezca el proceso, la tarjeta de
adquisición y el computador.
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Cierre de la práctica- qué hemos aprendido, qué hemos descubierto
1. ¿Qué variables del sistema considera usted se deber ían controlar y porque? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. ¿Qué relaciones causa-efecto encontró entre las entradas, salidas y perturbaciones?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3. ¿Qué aspectos sobre control cree usted se aprendieron en esta sesión?
____________________________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
4. ¿Qué aspectos cree usted se deben estudiar con mayor profundidad para resolver adecuadamente el problema del manejo de la planta?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
5. Frente a un problema similar, ¿qué metodología de trabajo usted propondr ía con la exper iencia de esta sesión?
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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Mis anotaciones ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Bibliografía recomendada y enlaces de interés 1. NISE Norman. Sistemas de control para ingeniería. 3ra Edición. CESCA. 2000 2. KUO Benjamín. Sistemas de control automático. 7a Edición. Prentice Hall 1995. 3. OGATA K. Ingeniería de control moderna. 3ra Edición. Prentice Hall 1997. 4. FRANKLIN G. Control de sistemas dinámicos con retroalimentación. Addison Wesley Iberoamericana. 1991. 5. CHEN C. Analog and digital Control Systems Design. Saunders College Publishing. 1994. 6. DORF C. Modern Control Systems. Addison Wesley Iberoamericana. 1989. 7. Quanser, Specialty Plants, Coupled Water Tanks User Manual
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Memoria de cálculo
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UNIDAD 2: Introducción al Control de la Planta Sesión 2: Control manual de la planta e introducción al concepto de realimentación.
2 .1 Resumen
El estudiante analizará e identificará el porque es necesario implementar un regulador en el sistema para su correcto funcionamiento. El est udiante adquirirá nociones sobre el concepto de realimentación y su funcionalidad en un sistema de control.
2.2 Objetivos
• Diseñar de forma intuitiva una estrategia de control para el sistema sin la implementación de algún tipo de regulador establecido en la teoría clásica de control.
• Establecer el porque de la necesidad de un regulador. • Identificar y reconocer la importancia y funcionalidad de la realimentación en un
proceso de control
2.3 Evaluación
• Control parcial de la planta. • Intento de control completo de la planta. • Notas informales de cuaderno de diseño donde se evidencie las características de
funcionamiento de la planta.
2.4 Materiales
• Planta de Tanques Acoplados. • Un computador donde esté instalado Matlab. • Tarjeta de adquisición de datos compatible con la planta seleccionada • Una fuente de poder para la planta. • Guía del estudiante.
2.5 Tiempo previsto
• Presencial dos horas
2.6 Conceptos que se trabajarán en la sesión
• Regulador • Sistemas de control • Tarjeta de adquisición de datos • Realimentación en un sistema
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Preparación del trabajo
• Recuerde que para el desarrollo de la práctica hay una serie de preguntas a responder antes, durante y después de esta que se encuentran contenidas en esta guía.
• Se pretende en esta práctica que el est udiante interactúe físicamente con la planta.
• En esta práctica se utilizará matlab como herramienta de comunicación entre el computador y la planta, para que el estudiante controle manualmente el sistema.
Exploración previa – Que creemos saber
1. ¿Qué entiende usted por regulador y cómo lo podría emplear? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. Haga un diagrama de bloques del sistema con un posible regulador.
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3. ¿Qué cree usted es la realimentación en un proceso de control? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________
Desarrollo de la práctica
1. ¿Qué estrategia utilizó para controlar manualmente la p lanta? Exp lique
brevemente __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________
2. Según la respuesta del sistema por medio de Matlab, ¿qué parámetros considera que podrían mejorarse a la respuesta de la planta ó a la estrategia de control manual?
______________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3. Comente brevemente su experiencia controlando manualmente el sistema. ______________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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Cierre de la práctica- qué hemos aprendido, qué hemos descubierto
1. ¿Cuál considera usted es la diferencia entre una respuesta lazo cerrado y una respuesta lazo abierto de un sistema? ¿En qué cree que inf luye para el diseño de un regulador?
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. ¿Qué aspectos cree usted sobre control se aprendieron en esta sesión? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3. ¿Qué aspectos cree usted se deben estudiar con mayor profundidad para resolver adecuadamente el problema de un control manual?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
4. Frente a un problema similar, ¿qué metodología de trabajo usted propondr ía con la exper iencia de esta sesión?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________
Mis anotaciones ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________
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Memoria de cálculo
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Bibliografía recomendada y enlaces de interés 1. NISE Norman. Sistemas de control para ingeniería. 3ra Edición. CESCA. 2000 2. KUO Benjamín. Sistemas de control automático. 7a Edición. Prentice Hall 1995. 3. OGATA K. Ingeniería de control moderna. 3ra Edición. Prentice Hall 1997. 4. FRANKLIN G. Control de sistemas dinámicos con retroalimentación. Addison Wesley Iberoamericana. 1991. 5. CHEN C. Analog and digital Control Systems Design. Saunders College Publishing. 1994. 6. DORF C. Modern Control Systems. Addison Wesley Iberoamericana. 1989. 7. Quanser, Specialty Plants, Coupled Water Tanks User Manual
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UNIDAD 2: Introducción al Control de la Planta
Sesión 3 y 4: Modelado de la planta
3 .1 Resumen
El est udiante obtendrá un modelo matemático de la planta con el cual podrá trabajar en simulaciones y otros. Este modelo será validado para asegurar que sea una buena representación de la planta.
3.2 Objetivos
• Obtener un modelo validado de la planta en forma de función de transferencia. • Comprobar el modelo mediante sim ulación. (Respuesta a lazo abierto).
3.3 Evaluación
• Modelo de la Planta. • Validación del modelo. • Notas de cuaderno de diseño donde se evidencie las características de
funcionamiento de la planta.
3.4 Materiales
• Planta de Tanques Acoplados • Un computador donde esté instalado Matlab. • Tarjeta de adquisición de datos compatible con la planta seleccionada • Una fuente de poder para la planta. • Guía del estudiante
3.5 Tiempo previsto
• Presencial dos horas • Trabajo independiente estimado una hora
3.6 Conceptos que se trabajarán en la sesión
• Sistemas • Sistemas de control • Tarjeta de adquisición de datos • Física
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Preparación del trabajo
• Recuerde que para el desarrollo de la práctica hay una serie de preguntas a responder antes, durante y después de esta que se encuentran contenidas en esta guía.
• Con las variables del sistema determinadas en la sesión anterior se debe proceder a hallar una función de transferencia para el sistema.
• En esta práctica se utilizará matlab como herramienta de simulación para validar el modelo calculado por el estudiante.
Trabajo previo
1. A partir del diagrama de fuerzas realizado en la sesión 1, realice un modelo matemático de la planta.
2. Linealice el modelo anterior por el método que usted considere apropiado
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Exploración previa – Que creemos saber
1. ¿Cuál cree usted que es la importancia de obtener un modelo lineal de la planta? ______________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Desarrollo de la práctica
1. ¿Cómo haría usted para validar ese modelo? Confirme que este modelo sea el
apropiado. __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. Analice la función de transferencia y con base a esta indique cuantos polos y ceros tiene el sistema
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3. ¿De qué orden es el sistema calculado por usted? ¿Qué determina el orden de un sistema?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
4. ¿Cree usted que el comportamiento de la planta es estable? ______________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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Cierre de la práctica- qué hemos aprendido, qué hemos descubierto
1. ¿Qué aspectos sobre control cree usted se aprendieron en esta sesión? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. ¿Qué aspectos cree usted se deben estudiar con mayor profundidad para resolver adecuadamente el problema del modelamiento y linealización de una planta?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3. Frente a un problema similar, ¿qué metodología de trabajo usted propondr ía con la experiencia de esta sesión?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Mis anotaciones ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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Memoria de cálculo
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Bibliografía recomendada y enlaces de interés 1. NISE Norman. Sistemas de control para ingeniería. 3ra Edición. CESCA. 2000 2. KUO Benjamín. Sistemas de control automático. 7a Edición. Prentice Hall 1995. 3. OGATA K. Ingeniería de control moderna. 3ra Edición. Prentice Hall 1997. 4. FRANKLIN G. Control de sistemas dinámicos con retroalimentación. Addison Wesley Iberoamericana. 1991. 5. CHEN C. Analog and digital Control Systems Design. Saunders College Publishing. 1994. 6. DORF C. Modern Control Systems. Addison Wesley Iberoamericana. 1989 7. Quanser, Specialty Plants, Coupled Water Tanks User Manual
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UNIDAD 2: Introducción al Control de la Planta
Sesión 5.1: Presentación y confrontación de resultados
5.1.1 Resumen
Cada grupo de estudiantes confrontará sus resultados y procedimientos y los presentarán frente a todo el grupo.
5.1.2 Objetivos
• Exponer claramente a los demás grupos, el proceso desarro llado y los resultados obtenidos, teniendo en cuenta dificultades y errores.
• Enterarse de otras posibilidades de solución y los resultados de estas. • Evaluar críticamente a los demás grupos.
5.1.3 Evaluación
• Evaluación entre grupos. • Autoevaluación.
5.1.4 Materiales
• Póster con resultados
5.1.5 Tiempo previsto
• Presencial dos horas • Trabajo independiente media hora
5.1.6 Conceptos que se trabajarán en la sesión
• Regulador • Sistemas de control • Tarjeta de adquisición de datos • Realimentación en un sistema
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Preparación del trabajo
• Para la exposición se debe tener en cuenta los resultados a las prácticas realizadas en las tres sesiones anteriores.
• Se deben exponer los resultados y métodos empleados para llegar a estos y confrontarlos con sus compañeros.
• Recuerde incluir en su póster diagramas de simulaciones. Procedimiento
• Confrontar resultados con los grupos que emplearon la misma planta • Exponer por grupos a los compañeros que emplearon las otras plantas • Exponer el procedimiento empleado para determinar el modelo matemático • Explicar el diagrama de fuerzas del sistema. • Exponer la respuesta de la planta y porque es estable o inestable. • Explicar cual podría ser el regulador a emplear. ¿Por qué?
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PARTE 2: REGULADORES EN TIEMPO CONTINUO
UNIDAD 3: Diseño e implementación de un controlador continuo que estabilice la planta
Sesión 5.2: Diseño y simulación del regulador que estabilice la planta
5.2.1 Resumen
El est udiante diseñará un regulador que estabilice el sistema, por algún método de control clásico que él estime conveniente. Este regulador será comprobado mediante simulación donde se observará su comportamiento.
5.2.2 Objetivos
• Investigar y emplear algunas de las diferentes metodologías clásicas de diseño de reguladores
• Diseñar y sim ular un regulador continuo que logre estabilizar la p lanta.
5.2.3 Evaluación
• Presentación de regulador diseñado • Validación del regulador en simulación. • Notas del cuaderno de diseño.
5.2.4 Materiales
• Planta de Tanques Acoplados. • Un computador donde esté instalado Matlab. • Tarjeta de adquisición de datos compatible con la planta seleccionada • Una fuente de poder para la planta. • Guía del estudiante.
5.2.5 Tiempo previsto
• Presencial dos horas • Trabajo independiente estimado una hora y media
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5.2.6 Conceptos que se trabajarán en la sesión
• Sistemas • Métodos para el diseño Regulador • Simulación en matlab • Tarjeta de adquisición de datos • Respuesta estable
Preparación del trabajo
• Recuerde que para el desarrollo de la práctica hay una serie de preguntas a responder antes, durante y después de esta que se encuentran contenidas en esta guía.
• Se pretende en esta práctica que el estudiante teniendo ya el modelo matemático de la planta diseño un regulador que estabilice la respuesta.
• En esta práctica se utilizará matlab como herramienta de validación del regulador diseñado por el est udiante.
Trabajo previo
1. Diseñe un regulador que logre error cero a una entrada escalón.
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2. Haga un diagrama de Bloques de todo el sistema Exploración previa – Que creemos saber
1. Analice el modelo matemático de la planta mediante sim ulación y observación directa sobre la planta, ¿puede usted decir si este es un sistema estable o inestable? Explique porqué.
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. ¿Qué tipo de regulador cree usted que podría emplearse para mejorar la respuesta de la planta?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3. ¿Qué factores aparte de la inestabilidad si la hay, considera usted se deberían arreglar a la respuesta de la planta?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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Desarrollo de la práctica
1. Colocar el regulador, ¿qué cambios se pueden percibir en la respuesta? ¿Por qué
cree que sucede esto? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. Justifique el método utilizado para el cálculo del regulador. __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3. ¿Logró error cero a entrada escalón el sistema con el regulador diseñado? Justifique su respuesta.
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Cierre de la práctica- qué hemos aprendido, qué hemos descubierto
1. ¿Qué aspectos cree usted sobre control se aprendieron en esta sesión? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. ¿Qué aspectos cree usted se deben estudiar con mayor profundidad para reso lver adecuadamente el problema de diseño de reguladores?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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3. Frente a un problema similar, ¿qué metodo logía de trabajo usted propondr ía con
la exper iencia de esta sesión? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Mis anotaciones ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Bibliografía recomendada y enlaces de interés 1. NISE Norman. Sistemas de control para ingeniería. 3ra Edición. CESCA. 2000 2. KUO Benjamín. Sistemas de control automático. 7a Edición. Prentice Hall 1995. 3. OGATA K. Ingeniería de control moderna. 3ra Edición. Prentice Hall 1997. 4. FRANKLIN G. Control de sistemas dinámicos con retroalimentación. Addison Wesley Iberoamericana. 1991. 5. CHEN C. Analog and digital Control Systems Design. Saunders College Publishing. 1994. 6. DORF C. Modern Control Systems. Addison Wesley Iberoamericana. 1989
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Memoria de cálculo
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UNIDAD 3: Diseño e implementación de un controlador continuo que estabilice la planta
Sesión 5.3 y 6: Implementación del regulador en la planta real
6 .1 Resumen
El est udiante implementará el regulador diseñado en la sesión anterior para observar el comportamiento del sistema completo e identificar sus características sobre la planta real.
6.2 Objetivos
• Implementar reguladores análogos a un sistema real a través de una tarjeta de comunicación
• Observar e interpretar el comportamiento del sistema frente a cam bios en la referencia y frente a posibles perturbaciones.
6.3 Evaluación
• Funcionalidad de operación del sistema real. • Auto evaluación.
6.4 Materiales
• Planta de Tanques Acoplados. • Un computador donde esté instalado Matlab. • Tarjeta de adquisición de datos compatible con la planta seleccionada • Una fuente de poder para la planta. • Guía del estudiante.
6.5 Tiempo previsto
• Presencial dos horas
6.6 Conceptos que se trabajarán en la sesión
• Sistemas • Métodos para el diseño Regulador • Simulación en matlab • Tarjeta de adquisición de datos • Respuesta estable
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Preparación del trabajo
• Recuerde que para el desarrollo de la práctica hay una serie de preguntas a responder antes, durante y después de esta que se encuentran contenidas en esta guía.
• Se pretende en esta práctica que el estudiante teniendo ya diseñado el regulador compruebe su funcionamiento en la planta real.
Exploración previa – Que creemos saber
1. ¿Cómo espera debería comportarse la planta real al aplicar le el controlador? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. ¿Qué cree que pasaría si se aplicara una pert urbación al sistema? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Desarrollo de la práctica
1. ¿Qué cambios observa en la planta real al aplicarle el controlador?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. ¿Si era lo que esperaba? ¿Por qué? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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3. Cambie la referencia. ¿Cuál cree que es el error, el tiempo de respuesta y el overshoot?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
4. ¿Cómo cree podría ap licarse una perturbación al sistema? Hágalo y describa brevemente que observa en la respuesta.
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Cierre de la práctica- qué hemos aprendido, qué hemos descubierto
1. ¿Qué aspectos cree usted sobre control se aprendieron en esta sesión? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. ¿Qué aspectos cree usted se deben estudiar con mayor profundidad para resolver adecuadamente el problema de la implementación de un regulador continuo?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3. Frente a un problema similar, ¿qué metodología de trabajo usted propondr ía con la exper iencia de esta sesión?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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Mis anotaciones ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Bibliografía recomendada y enlaces de interés 1. NISE Norman. Sistemas de control para ingeniería. 3ra Edición. CESCA. 2000 2. KUO Benjamín. Sistemas de control automático. 7a Edición. Prentice Hall 1995. 3. OGATA K. Ingeniería de control moderna. 3ra Edición. Prentice Hall 1997. 4. FRANKLIN G. Control de sistemas dinámicos con retroalimentación. Addison Wesley Iberoamericana. 1991. 5. CHEN C. Analog and digital Control Systems Design. Saunders College Publishing. 1994. 6. DORF C. Modern Control Systems. Addison Wesley Iberoamericana. 1989
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Memoria de cálculo
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UNIDAD 4: Diseño e implementación de un regulador continuo que responda a especificaciones dadas Sesión 7.1: Diseño y simulación del regulador que cumpla con ciertas especificaciones
7 .1 Resumen
El estudiante diseñará un regulador que haga que el sistema sea sub-amortiguado, tenga un tiempo de establecimiento de 100 segundos y error cero a escalón por algún método de control clásico que él estime conveniente. Este regulador será comprobado mediante simulación donde se observará su comportamiento
7.2 Objetivos
• Diseñar y sim ular un regulador continuo bajo ciertas condiciones de diseño.
7.3 Evaluación
• Regulador diseñado. • Validación del regulador en simulación. • Notas del cuaderno de diseño.
7.4 Materiales
• Planta de Tanques Acoplados. • Un computador donde esté instalado Matlab. • Tarjeta de adquisición de datos compatible con la planta seleccionada • Una fuente de poder para la planta. • Guía del estudiante.
7.5 Tiempo previsto
• Presencial dos horas • Trabajo independiente estimado una hora y media
7.6 Conceptos que se trabajarán en la sesión
• Sistemas • Métodos para el diseño Regulador • Simulación en matlab • Tarjeta de adquisición de datos • Respuesta estable
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Preparación del trabajo
• Recuerde que para el desarrollo de la práctica hay una serie de preguntas a responder antes, durante y después de esta que se encuentran contenidas en esta guía.
• Se pretende en esta práctica que el estudiante teniendo ya el modelo matemático de la planta diseño un regulador que estabilice la respuesta.
• En esta práctica se utilizara matlab como herramienta de validación del regulador diseñado por el est udiante.
Trabajo previo
1. Teniendo en cuenta los parámetros Ts=100 seg, Zita=0.7 y error cero a entrada escalón, diseñar un controlador por el método usted considere pertinente.
Exploración previa – Que creemos saber
1. ¿Qué cree es un sistema sub-amortiguado, amortiguado o críticamente amortiguado?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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2. ¿Qué relación considera que puede haber entre la constante de amortiguamiento “ζ”, la ubicación de los polos del sistema y la estabilidad?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Desarrollo de la práctica
1. ¿Por qué escogió este método de diseño para el regulador? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. En la simulación, ¿cómo podría comprobar que los parámetros de diseño se cumplen? Imprima la simulación y especif ique.
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3. Comparando este regulador con el anterior, ¿cuál cree que funciona mejor y por qué?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
4. ¿Cómo cree que debería comportarse la p lanta real al aplicarle este regulador? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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Cierre de la práctica- qué hemos aprendido, qué hemos descubierto
1. ¿Qué aspectos cree usted sobre control se aprendieron en esta sesión? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. ¿Qué aspectos cree usted se deben estudiar con mayor profundidad para resolver adecuadamente el problema de diseño de reguladores continuos bajo ciertas especificaciones?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3. Frente a un problema similar, ¿qué metodología de trabajo usted propondr ía con la exper iencia de esta sesión?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Mis anotaciones ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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Memoria de cálculo
IEL2-I-06-34
Bibliografía recomendada y enlaces de interés 1.NISE Norman. Sistemas de control para ingeniería. 3ra Edición. CESCA. 2000 2. KUO Benjamín. Sistemas de control automático. 7a Edición. Prentice Hall 1995. 3. OGATA K. Ingeniería de control moderna. 3ra Edición. Prentice Hall 1997. 4. FRANKLIN G. Control de sistemas dinámicos con retroalimentación. Addison Wesley Iberoamericana. 1991. 5. CHEN C. Analog and digital Control Systems Design. Saunders College Publishing. 1994. 6. DORF C. Modern Control Systems. Addison Wesley Iberoamericana. 1989
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UNIDAD 4: Diseño e implementación de un regulador continuo que responda a especificaciones dadas Sesión 7.2 ,8 y 9: Implementación del regulador en la planta real
8 .1 Resumen
El est udiante implementará el regulador diseñado en la sesión anterior para observar el comportamiento del sistema completo e identificar y ver ificar sus características sobre la planta real. .
8.2 Objetivos
• Implementar el regulador diseñado sobre la planta en tiempo real. • Observar e interpretar el comportamiento del sistema frente a cam bios en la
referencia y frente a posibles perturbaciones.
8.3 Evaluación
• Funcionalidad de operación del sistema real. • Auto evaluación.
8.4 Materiales
• Planta de Tanques Acoplados. • Un computador donde esté instalado Matlab. • Tarjeta de adquisición de datos compatible con la planta seleccionada • Una fuente de poder para la planta. • Guía del estudiante.
8.5 Tiempo previsto
• Presencial dos horas
8.6 Conceptos que se trabajarán en la sesión
• Sistemas • Métodos para el diseño Regulador • Simulación en matlab • Tarjeta de adquisición de datos • Respuesta estable
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Preparación del trabajo
• Recuerde que para el desarrollo de la práctica hay una serie de preguntas a responder antes, durante y después de esta que se encuentran contenidas en esta guía.
• Se pretende en esta práctica que el estudiante teniendo ya diseñado el regulador compruebe su funcionamiento en la planta real.
Exploración previa – Que creemos saber
1. ¿Cómo espera que deber ía comportarse la planta real al ap licarle el controlador con las nuevas especificaciones?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. ¿Qué cree que pasaría si se aplicara una perturbación al sistema? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3. Dibuje el diagrama de polos y ceros del sistema antes y después de aplicarle el controlador, con este diagrama ¿qué puede usted concluir?
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Desarrollo de la práctica
1. En la planta real compruebe que los parámetros de diseño se cumplan; ¿por qué
cree que se cumplen o no? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. ¿Cómo cree podría ap licarse una perturbación al sistema? Hágalo y describa brevemente que observa en la respuesta.
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3. ¿Es este un sistema robusto? ¿Por qué? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
4. Cambie la referencia, observe cual es la magnitud del error. ¿Cómo podría mejorarse?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
5. ¿Cómo podría comprobar en la planta real si la respuesta es amortiguada, sub-amortiguada o cr íticamente amortiguada?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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Cierre de la práctica- qué hemos aprendido, qué hemos descubierto
1. ¿Qué aspectos cree usted sobre control se aprendieron en esta sesión? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. ¿Qué aspectos cree usted se deben estudiar con mayor profundidad para resolver adecuadamente el problema de implementación de reguladores?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3. Frente a un problema similar, ¿qué metodología de trabajo usted propondr ía con la exper iencia de esta sesión?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Mis anotaciones ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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Memoria de cálculo
IEL2-I-06-34
Bibliografía recomendada y enlaces de interés 1. NISE Norman. Sistemas de control para ingeniería. 3ra Edición. CESCA. 2000 2. KUO Benjamín. Sistemas de control automático. 7a Edición. Prentice Hall 1995. 3. OGATA K. Ingeniería de control moderna. 3ra Edición. Prentice Hall 1997. 4. FRANKLIN G. Control de sistemas dinámicos con retroalimentación. Addison Wesley Iberoamericana. 1991. 5. CHEN C. Analog and digital Control Systems Design. Saunders College Publishing. 1994. 6. DORF C. Modern Control Systems. Addison Wesley Iberoamericana. 1989
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UNIDAD 5: Presentación y confrontación de resultados
Sesión 10.1: Presentación y confrontación de resultados
10.1.1 Resumen
Cada grupo de estudiantes confrontará sus resultados y procedimientos y los presentarán frente a todo el grupo.
10.1.2 Objetivos
• Identificar otras alternativas de solución para controlar la p lanta. • Mejorar su prop io trabajo a través del análisis del trabajo realizado por otros
grupos
10.1.3 Evaluación
• Auto evaluación. • Evaluación entre grupos.
10.1.4 Materiales
• Póster con resultados
10.1.5 Tiempo previsto
• Presencial dos horas • Trabajo independiente estimado media hora
10.1.6 Conceptos que se trabajarán en la sesión
• Regulador • Sistemas de control • Tarjeta de adquisición de datos • Realimentación en un sistema
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Preparación del trabajo
• Para la exposición se debe tener en cuenta los resultados a las prácticas realizadas en las sesiones anteriores de la unidad 2.
• Se deben exponer los resultados y métodos empleados para llegar a estos y confrontarlos con sus compañeros.
• Recuerde incluir en su póster diagramas de simulaciones. . Procedimiento
• Exponer por grupos a sus compañeros el procedimiento empleado para la elaboración de los reguladores
• Hacer y exponer un cuadro comparativo de ambos reguladores con ventajas y desventajas
• Explicar la respuesta de la planta al aplicarse el regulador tanto en simulaciones como en la planta real.
• Soportar todo lo anterior por medio de diagramas de las simulaciones realizadas.
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PARTE 3: CONTROLADOR DIGITAL
UNIDAD 6: Diseño de un regulador digital por el método indirecto
Sesión 10.2: Diseño y simulación de un regulador en tiempo discreto
10.2.1 Resumen
El est udiante diseñará un regulador por medio de un método indirecto que él estime conveniente. Este regulador será comprobado mediante simulación donde se observará su comportamiento.
10.2.2 Objetivos
• Diseñar un controlador discreto por método indirecto • Simular un controlador discreto para establecer sus condiciones de
funcionamiento
10.2.3 Evaluación
• Presentación de regulador diseñado • Validación del regulador diseñado en simulación. • Notas del cuaderno de diseño.
10.2.4 Materiales
• Planta de Tanques Acoplados. • Un computador donde esté instalado Matlab. • Tarjeta de adquisición de datos compatible con la planta seleccionada • Una fuente de poder para la planta. • Guía del estudiante.
10.2.5 Tiempo previsto
• Presencial dos horas • Trabajo independiente estimado una hora y media
10.2.6 Conceptos que se trabajarán en la sesión
• Métodos para el diseño Regulador discreto • Simulación en matlab • Tarjeta de adquisición de datos • Tiempo de muestreo
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Preparación del trabajo
• Recuerde que para el desarrollo de la práctica hay una serie de preguntas a responder antes, durante y después de esta que se encuentran contenidas en esta guía.
• Se pretende en esta práctica que el estudiante teniendo ya el modelo matemático de la planta diseño un regulador digital que estabilice la respuesta.
• En esta práctica se utilizara matlab como herramienta de validación del regulador digital diseñado por el estudiante.
Trabajo previo
1. ¿Cuál es el tiempo de muestreo? Explique brevemente la escogencia de ese tiempo.
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. Discretice la planta y especifique el método de discretización empleado.
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3. ¿Cuál cree que es la diferencia entre diagrama de polos y ceros en discreto y continuo en cuanto a la estabilidad? Haga un diagrama de polos y ceros de la planta en continuo y discreto y explique.
4. Teniendo en cuenta los parámetros Ts=100 seg y Zita=0.7 diseñar un controlador digital por el método usted considere pertinente.
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Exploración previa – Que creemos saber
1. ¿Cuál cree que podría ser la diferencia entre utilizar un regulador continuo y uno discreto?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. ¿Por qué cree que es importante escoger un buen tiempo de m uestreo? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Desarrollo de la práctica
1. ¿Por qué escogió este método de diseño para el regulador?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. Por medio de la sim ulación determine si se cumplen los parámetros de diseño. Explique.
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Cierre de la práctica- qué hemos aprendido, qué hemos descubierto
1. ¿Qué aspectos sobre control cree usted que se aprendieron en esta sesión? ____________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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2. ¿Qué aspectos cree usted se deben estudiar con mayor profundidad para resolver adecuadamente el problema de diseño de reguladores digitales?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3. Frente a un problema similar, ¿qué metodología de trabajo usted propondr ía con la exper iencia de esta sesión?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Mis anotaciones _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Bibliografía recomendada y enlaces de interés 1. REINOSO. Sistemas de control en tiempo discreto. Mc. Graw Hill 2. KUO Benjamín. Sistemas de control automático. 7a Edición. Prentice Hall 1995. 3. OGATA K. Sistemas de Control en tiempo discreto. Segunda Edición. Prentice Hall. 4. OGATA K. "Ingeniería de Control Moderna". Prentice Hall. 5. ASTROM K; WITTENMARK B. "Computer-Control led Systems". Prentice-Hall. 6. SMITH C; CORRIPIO A. "Control Automático de Procesos". Limusa
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Memoria de cálculo
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UNIDAD 6: Diseño de un regulador digital por el método indirecto
Sesión 10.3, 11 y 12.1: Implementación del regulador en la planta real
11.1 Resumen
El est udiante implementará el regulador diseñado en la sesión anterior para observar el comportamiento del sistema completo e identificar y ver ificar sus características sobre la planta real.
11.2 Objetivos
• Funcionalidad de operación del sistema real. • Auto evaluación
11.3 Evaluación
• Funcionalidad de operación del sistema real. • Auto evaluación
11.4 Materiales
• Planta de Tanques Acoplados. • Un computador donde esté instalado Matlab. • Tarjeta de adquisición de datos compatible con la planta seleccionada • Una fuente de poder para la planta. • Guía del estudiante.
11.5 Tiempo previsto
• Presencial dos horas
11.6 Conceptos que se trabajarán en la sesión
• Sistemas • Métodos para el diseño Regulador • Simulación en matlab • Tarjeta de adquisición de datos • Respuesta estable
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Preparación del trabajo
• Recuerde que para el desarrollo de la práctica hay una serie de preguntas a responder antes, durante y después de esta que se encuentran contenidas en esta guía.
• Se pretende en esta práctica que el estudiante teniendo ya diseñado el regulador compruebe su funcionamiento en la planta real.
Exploración previa – Que creemos saber
1. ¿Qué criterios de estabilidad para sistemas discretos conoce? Trate de comprobar mediante cálculos numéricos la estabilidad del sistema.
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. Haga el diagrama de bloques para la planta con el compensador digital.
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Desarrollo de la práctica
1. En la planta real compruebe que los parámetros de diseño se cumplan; ¿por qué cree que si se cumplen o no?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. Aplique una perturbación al sistema y describa brevemente que observa en la respuesta.
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3. ¿Es este un sistema robusto? ¿Por qué? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
4. Cambie la referencia, observe cual es la magnitud del error. ¿Cómo podría mejorarse?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
5. Con respecto a los reguladores continuos, ¿cuál considera que tiene un mejor desempeño en la planta real? Justifique su respuesta.
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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Cierre de la práctica- qué hemos aprendido, qué hemos descubierto 1. Según la exper iencia en esta práctica, ¿por qué cree que estos reguladores tienen
más aplicación en la industria que los continuos? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. ¿Qué aspectos cree usted sobre control se aprendieron en esta sesión? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3. ¿Qué aspectos cree usted se deben estudiar con mayor profundidad para resolver adecuadamente el problema de implementación de reguladores en tiempo discreto?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
4. Frente a un problema similar, ¿qué metodología de trabajo usted propondr ía con la exper iencia de esta sesión?
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Mis anotaciones __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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Memoria de cálculo
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Bibliografía recomendada y enlaces de interés 1. REINOSO. Sistemas de control en tiempo discreto. Mc. Graw Hill 2. KUO Benjamín. Sistemas de control automático. 7a Edición. Prentice Hall 1995. 3. OGATA K. Sistemas de Control en tiempo discreto. Segunda Edición. Prentice Hall. 4. OGATA K. "Ingeniería de Control Moderna". Prentice Hall. 5. ASTROM K; WITTENMARK B. "Computer-Control led Systems". Prentice-Hall. 6. SMITH C; CORRIPIO A. "Control Automático de Procesos". Limusa
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UNIDAD 7: Presentación y confrontación de resultados
Sesión 12.2: Presentación y confrontación de resultados
12.2.1 Resumen
Cada grupo de estudiantes confrontará sus resultados y procedimientos y los presentarán frente a todo el grupo.
12.2.2 Objetivos
• Identificar otras alternativas de solución para controlar la p lanta • Mejorar su prop io trabajo a través del análisis del trabajo realizado por otros
grupos.
12.2.3 Evaluación
• Auto evaluación. • Evaluación entre grupos
12.2.4 Materiales
• Poster con resultados
12.2.5 Tiempo previsto
• Presencial dos horas • Trabajo independiente estimado media hora
12.2.6 Conceptos que se trabajarán en la sesión
• Regulador • Sistemas de control • Tarjeta de adquisición de datos • Realimentación en un sistema
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Preparación del trabajo
• Para la exposición se debe tener en cuenta los resultados a las prácticas realizadas en las sesiones anteriores de la unidad 2.
• Se deben exponer los resultados y métodos empleados para llegar a estos y confrontarlos con sus compañeros.
• Recuerde incluir en su póster diagramas de simulaciones. Procedimiento
• Exponer por grupos a sus compañeros el procedimiento empleado para la elaboración de los reguladores
• Hacer y exponer un cuadro comparativo de los reguladores continuos y discretos con ventajas y desventajas
• Explicar la respuesta de la planta al aplicarse el regulador tanto en simulaciones como en la planta real.
• Soportar todo lo anterior por medio de diagramas de las simulaciones realizadas.
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ANEXO D.
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IEL1-2202 - LABORATORIO DE ANALISIS DE SISTEMAS DE CO NTRO L Departam ento de ingeniería eléctrica y electrónica
GUIA DEL INS TRUC TOR
LABORATORIO DE SISTEMAS DE CONTROL PROYECTO TANQUES ACOPLADOS
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INDIC E
INTRODUCCION Introducción al control de tanques acoplados……………………………………1
PARTE 1: MODELAMIENTO DE LA PLANTA UNIDAD 1: Conocer la Planta
o Sesión 1: Experimentación sobre la planta………………………………5 UNIDAD 2: Controlar manualmente la planta
o Sesión 2: Control manual de la planta e introducción al concepto de realimentación……………………………………………………….....12
o Sesión 3 y 4: Modelamiento de la Planta…………………………...….17 o Sesión 5.1: Presentación y confrontación de resultados…………….….25
PARTE 2: CONTROLADOR ANALOGO UNIDAD 3: Diseño e implementación de un regulador continuo que estabilice
la planta o Sesión 5.2: Diseño y sim ulación de un regulador que estabilice la
planta…………………………………………………………………...28 o Sesión 5.3 y 6: Implementación del regulador en la planta real………..34
UNIDAD 4: Diseño e implementación de un regulador continuo que responda a especificaciones dadas
o Sesión 7.1 : Diseño y Simulación de un regulador que cumpla con ciertas especificaciones………………………………………………………...38
o Sesión 7.2, 8 y 9: Implementación del regulador en la planta real……..46 UNIDAD 5
o Sesión 10.1: Presentación y confrontación de resultados………….…...50 PARTE 3: CONTROLADOR DIGITAL
UNIDAD 6: Diseño e implementación de un regulador digital por un método indirecto
o Sesión 10.2: Diseño y simulación de un regulador en tiempo discreto...52 o Sesión 10.3, 11 y 12.1: Implementación del regulador en la planta real.59
UNIDAD 7 o Sesión 12.2: Presentación y confrontación de resultados………….…...63
ANEXO Teoría del aprendizaje y como utilizarla en la práctica………………………...65 Modelo de Kolb y su uso en la práctica………………………………………...66 Fases de Kolb y su uso en esta guía…………………………………………….68
Matrices: Guía de actividades generales del laboratorio………………………………….………..3 Descripción de actividades Parte 1………………………………………………………4 Descripción de actividades Parte 2……………………………………………………..27 Descripción de actividades Parte 3……………………………………………………..51
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1
INTRO DUCC ION AL CONTROL DE TANQ UES ACO PLADOS
El control de nivel de fluido en tanques es un problema que existe desde tiempos antiguos como por ejemplo en el año 300 a.C. un griego llamado Ktesebios creo un reloj de agua que consistía en un par de tanques acoplados donde el nivel del segundo tanque determinaba un desplazamiento de un indicador de una escala de tiempo como muestra la figura 1. Otros ejemplos referentes al tema son el dispensador de vino creado en el año 50 d.C. por Heron de Alejandría (Figura 2.), un bebedero de animales creado en el siglo 9 y el primer problema explicito de control de nivel de una caldera hecho por Thomas Word en 1784 (Figura 3.).
Figura 1. Figura 2.
Figura 3. Figura 4.
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2
Aparte de estos ejemplos de control de nivel que se remontan a mucho tiempo atrás, también podemos encontrar otros en nuestra vida diar ia y casi ni nos damos cuenta; un ejemplo de esto es el tanque de los inodoros en el que al abr ir una válvula se deja fluir agua hasta que prácticamente se desocupa el tanque y se cierra de nuevo la válvula. Otro ejemplo sencillo de tanques donde se dosifica el flujo de un líquido, son los tanques de reserva de agua de las edificaciones. Como vemos, podemos encontrar bastantes ejemplos de control de nivel en tanques, pero donde mas podemos ver y aplicar soluciones a este problema es en la industria como por ejemplo en la industria química como en las Petroquímicas, en industrias donde se trabaja el tratamiento de aguas y en industrias de papel. Como ejemplos industriales reales donde se utilizan tanques acop lados podemos encontrar la ‘Planta de Tratamiento de Aguas Residuales San Fernando’ 2 ubicado en el municipio de Itagüí, Co lombia, allí como su nombre lo indica se procesan las aguas residuales proven ientes de los hogares e industrias con el fin de descontaminarlas para su nuevo uso y para esto se utilizan una ser ie de tanques que realizan un proceso determinado sobre el agua. Otro ejemplo importante es el acoplamiento de lagos artificiales donde por ejemplo en Austria podemos encontrar quizás el sistema mas grande de ‘tanques acoplados’ del mundo ; éste es el Silveretta Strausse que tiene 2034 metros de alto y está acoplado con el Verm unt Strausse de 1717 metros. Como vemos, este problema de control de nivel en tanques acoplados lo podemos encontrar en varias situaciones de la vida y en un contexto industrial, real y profesional por lo cual es importante conocer un poco de sus características y soluciones al problema que es lo que busca obtener al final del desarrollo de esta guía.
Esta guía ha sido diseñada para brindarle una especie de ayuda al asistente del laboratorio de Control, en cuanto a tener estrategias claras de trabajo y una visión generalizada acerca de posibles so luciones a los problemas de labora torio y el como ayudar a los estudiantes.
2 http://www.eeppm.co m/servicios/Saneami ento/San %20Fern ando/san ferna.ht m
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3
Matriz Guía de actividades generales del laboratorio
Tiempo estimado: 24 hor as pr esénciales + 6 horas de trabajo individual SINOPSIS CONCEPTOS DE CONTROL PROCESOS RECURSOS
PARTE 1: (8 hor as = 4 sesiones) Observación de una experiencia concreta. Modelamient o de Sist emas. Apl icación de conceptos prev ios.
Nociones de realimentación.
Modelami ento de la Pl anta: Los estudiantes obtendrán un modelo mat emático de la planta con el cual podrán trabajar e interactuar con el la.
Matlab (Sisotool, RRT, Simul ink) Desarrollo de capacidades intuitivas sobre control.
Manual de la planta, tutoriales y manuales de simul ink, RRT y Matlab
PARTE 2: (10 horas = 5 sesiones) Realimentación, estabil idad, tiempo de establecimiento, amortiguamient o, error.
Investigación de concept os y temas de control clásico. Controlador análogo: Los estudiantes aprenden a
diseñar reguladores análogos por distintos métodos y los implementan sobre la planta en tiempo real. Métodos de diseño de reguladores análogos.
(Reguladores eurísticos) Análisis y comprobac ión de resultados.
Material bibliográf ico sobre control clásico
PARTE 3: (6 hor as = 3 sesiones) Métodos de discretización para controladores. (Transf ormada Z)
Investigación de concept os y temas de control digit al.
Material bibliográf ico Controlador digital: Los estudiantes aprenden a
diseñar reguladores digitales por método indirect o y lo implementaran sobre la planta en tiempo real. Método indirecto de diseño de reguladores
digitales Análisis y comprobac ión de resultados.
Manuales y tutoriales de Matlab.
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4
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PARTE 1: MODELAMIENTO DE LA PLANTA
UNIDAD 1: Conocer la planta
Sesión 1: Expe rimentación sobre la planta
1 .1 Resumen
El estudiante se familiarizará con la planta, investigando las conex iones físicas y eléctricas de esta. Luego el est udiante manipulará la planta utilizando estímulos en sus diferentes señales de entrada mediante herramientas que brinda matlab, encontrando relaciones de causalidad entre las entradas y las salidas.
1.2 Objetivos
• Identificar conexiones físicas y eléctricas • Identificar las variables a controlar • Establecer los requerimientos eléctricos y físicos necesarios para la correcta
operación de la p lanta • Adaptarse a la herramienta que brinda Matlab para la comunicación con la
planta. • Interactuar con la planta utilizando una interfase con Matlab.
1.3 Materiales
• Planta de Tanques Acoplados. • Un computador donde esté instalado Matlab. • Tarjeta de adquisición de datos compatible con la planta seleccionada • Una fuente de poder para la planta. • Guía del estudiante.
1.4 Tiempo previsto
• Presencial dos horas • Trabajo independiente estimado media hora
1.5 Conceptos que se trabajarán en la sesión
• Sistemas • Sistemas de control • Tarjeta de adquisición de datos • Física
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Guiando al alumno
• Se deberá hacer una breve introducción al estudiante sobre el nuevo sistema de guías y la forma de manejo descrita a lo largo de este documento.
• Primero el est udiante comenzará a responder una serie de preguntas de exploración prev ia que miden el manejo y conocimiento por parte de él sobre el tema.
• Durante el desarrollo de la práctica se pretende que el estudiante interactúe físicamente con la planta sin necesidad de aplicar conocimientos para que así ellos entiendan frente a que problema se están enfrentando.
• Durante el desarrollo de la práctica el estudiante deberá resolver las preguntas de desarrollo de práctica. Usted como asistente deberá asesorar al estudiante para la ejecución de este sin dar la solución final.
• Faltando diez minutos al final de la práctica los estudiantes deberán resolver las preguntas de cierre de práctica, recuerde que estas son preguntas de reflexión para cumplir el último ciclo de Kolb.
Como se podría abordar el problema Para hablar de sistemas de control necesar iamente necesitamos empezar por definir que es un sistema. Un sistema se define como un conjunto de elementos organizados que interactúan entre sí y con su ambiente, para lograr objetivos comunes. En este orden de ideas el siguiente paso sería def inir un sistema de Control. Un sistema de control consiste en un conjunto de estrategias que se implantan en un sistema para alcanzar ciertos objetivos deseados. Aterrizando un poco más la idea un sistema de control es el proceso que se le realizan a las entradas de un sistema para obtener unas salidas deseadas. Los sistemas de control lo s podemos encontrar en casi cualquier parte de nuestro entorno como por ejemplo en los automóviles donde se desea controlar la dirección, o en procesos de manufactura donde se desea tener cumplir requerimientos de precisión y costo, entre otros (Bibliografía 2). Planta de Tanques acoplados La planta de tanques acoplados consta de dos tanques con la misma sección transversal cada uno, una bomba que v ierte agua al tanque seleccionado y un reservorio de agua. Los tanques están configurados de tal forma que el agua pasa del tanque 1 (superior) al 2 (inferior) y de este a su vez a la vasija por or ificios ubicados en la parte inferior de cada tanque tal y como lo muestra la f igura 1. El nivel de agua en cada tanque es medido por sensores sensibles a la presión localizados al fondo de los tanques. También se puede identificar una escala vertical de altura en centímetros para observar el n ivel del agua. El tanque 1 tiene una llave que puede funcionar como una pert urbación al dejarla abierta y que salga el agua directamente al reservorio principal.
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7
Figura 1. Tanques Acoplados, Quanser.
Se pueden tener 3 configuraciones distintas de esta planta para su análisis: C onfiguración #1: La bomba vierte agua al tanque 1 y se mira el nivel de esta sólo en este tanque. El tanque 2 no se utiliza. C onfiguración #2: La bomba vierte agua al tanque 1 y este a su vez al tanque 2 y se mira el nivel en el tanque 2. Está configuración será la utilizada en el labora torio. C onfiguración #3: La bomba v ierte agua tanto al tanque 1 como al 2 y el tanque 1 a su vez también manda agua al tanque 2. Se mira el n ivel de agua en el tanque 2. Se pueden tener conf iguraciones de sistemas MIMO con la unión de varias plantas de tanques acop lados. La lista de parámetros de la planta necesarios para el modelamiento matemático de esta, se expone a continuación en una tabla tomada directamente del manual de los tanques acoplados de Quanser.
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Tabla 1. Lista de parámetros de la planta. Los procedimientos de conexión de la p lanta se pueden encontrar en el manual de ésta. Variables de la Planta: H1: nivel del tanque 1.[cm] H2: nivel del tanque 2.[cm] Qi: velocidad de f lujo de la bomba.[cm3/s] A: área de la sección transversal de los tanques.[cm2] ab,c: área transversal de los orificios de los tanques.[cm2] (Por defecto es el orif icio medio). Cdb,dc: Coeficiente de descarga de las válvulas (orificios). Área efectiva de salida. U: potencial aplicado a la bomba.[V] (Relación proporcional con Qi) Qb: velocidad de flujo del or ificio del tanque 1. [cm3/s] Qc: velocidad de flujo del orificio del tanque 2. [cm3/s]
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Figura 2. Esquem a físico de los tanques acoplados.
El sistema montado se resume en el siguiente esquema:
Figura 3. Esquem a de conexión para el laboratorio.
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10
Donde la planta brinda información por medio de sus sensores, pasa a través de la tarjeta de adquisición hacia el computador (Matlab) y cuando se desea manipular el flujo de entrada desde el computador, se lleva a cabo un proceso inverso, donde se generan señales en Matlab que son leídas por la tarjeta de adquisición y llevadas a las válvulas de la planta. Bibliografía recomendada y enlaces de interés 1. NISE Norman. Sistemas de control para ingeniería. 3ra Edición. CESCA. 2000 2. KUO Benjamín. Sistemas de control automático. 7a Edición. Prentice Hall 1995. 3. OGATA K. Ingeniería de control moderna. 3ra Edición. Prentice Hall 1997. 4. FRANKLIN G. Control de sistemas dinámicos con retroalimentación. Addison Wesley Iberoamericana. 1991. 5. CHEN C. Analog and digital Control Systems Design. Saunders College Publishing. 1994. 6. DORF C. Modern Control Systems. Addison Wesley Iberoamericana. 1989. 7. Quanser, Specialty Plants, Coupled Water Tanks User Manual
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Matriz de evaluación
Iniciando Insuficiente Justo Apropiado Mejor Aspecto
% %(0-40) %(40-60) %(60-70) %(70-90) %(90-100)
Resultado
Notas de desarrollo
50 No lleva cuaderno de diseño
Solo presenta apuntes sin sentido
Presenta un esquema muy global del diseño a realizar
Presenta un esquema con explicación del proceso.
Presenta un esquema detallado del proceso donde presenta una explicación clara.
Implementación de la solución
25 No mostró interés, ni resultados parciales.
No logran implementar correctamente la práctica.
No se evidencio funcionamiento de la práctica pero cada integrante justifica de forma correcta el proceso.
Se ev idencia funcionamiento de la planta con pequeños márgenes de error.
Se ev idencio el correcto funcionamiento de la práctica, donde cada integrante justifica de forma correcta el desarrollo.
Desarrollo práctica
25 No asistió a la sesión
Muestra solo resultados parciales.
Muestran resultados pero sin análisis ni justificación
Muestra resultados con su respectivo análisis pero estos no son satisfactorios.
Se muestran resultados claros y completos donde se evidencia el procedimiento de la práctica, con resultados satisfactorios.
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UNIDAD 2: Introducción al Control de la Planta Sesión 2: Control manual de la planta e introducción al concepto de realimentación.
2 .1 Resumen
El estudiante analizará e identificará el porque es necesario implementar un regulador en el sistema para su correcto funcionamiento. El est udiante adquirirá nociones sobre el concepto de realimentación y su funcionalidad en un sistema de control.
2.2 Objetivos
• Diseñar de forma intuitiva una estrategia de control para el sistema sin la implementación de algún tipo de regulador establecido en la teoría clásica de control.
• Establecer el porque de la necesidad de un regulador. • Identificar y reconocer la importancia y funcionalidad de la realimentación en un
proceso de control
2.3 Materiales
• Planta de Tanques Acoplados. • Un computador donde esté instalado Matlab. • Tarjeta de adquisición de datos compatible con la planta seleccionada • Una fuente de poder para la planta. • Guía del estudiante.
2.4 Tiempo previsto
• Presencial dos horas
2.5 Conceptos que se trabajarán en la sesión
• Regulador • Sistemas de control • Tarjeta de adquisición de datos • Realimentación en un sistema
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Guiando al alumno
• Primero el est udiante comenzará a responder una serie de preguntas de exploración previa que le dan una idea de lo que se piensa desarrollar en la sesión.
• En el desarro llo de la práctica el estudiante interact uará f ísicamente con la planta tratando de intuir una estrategia de control de nivel.
• Se les mostrará en que consiste un control ON-OFF y a su vez se dará una pequeña introducción al concepto de realimentación en sus aspectos básicos.
• Faltando diez minutos al final de la práctica los est udiantes deberán resolver las preguntas de cierre de práctica, recuerde que estas son preguntas de reflexión para cumplir el último ciclo de Kolb.
Como se podría abordar el problema Cuando se habla del nivel de agua en un tanque, la primera aproximación intuitiva que a uno se le podría ocurrir para controlar lo es abrir y cerrar la válvula por donde fluye el agua hacia el tanque dependiendo en donde se encuentre el nivel de agua que deseamos en dicho tanque. Por ejemplo si el nivel de agua es mayor que el deseado cerramos la válvula y si es menor la abr imos; esto en control se conoce como un control ON-OFF y viene siendo el regulador más sencillo que se puede implementar sobre un sistema. Sacando conclusiones de este procedimiento, vemos que en un sistema de control se pueden observar varias partes: 1. Una referencia que se refiere al nivel de agua que queremos en un tanque; 2. la p lanta que involucra tanto sus entradas como salidas; 3. observar el nivel de agua para saber que se debe hacer (esto representa una realimentación que hace que existe un lazo cerrado en el sistema); y 4. Variar el flujo de entrada a la planta dependiendo si el nivel es más alto o más bajo que el deseado (referencia) que se representa con el controlador que en este caso es ON-OFF. El esquema sería el siguiente:
Figura 1. Esquem a de un Sistem a de C ontrol Para nuestro caso particular queremos que el nivel de agua en el tanque 2 se mantenga en 15 cm., así que esa será nuestra referencia, nuestra entrada a la planta será el flujo así que a la salida de nuestro controlador encontraremos esta señal. Si el n ivel de agua el error (referencia menos salida) es menor a cero signif ica que el nivel real es mayor al deseado, así que interrumpiremos el flujo de agua a la planta, si por el contrario el n ivel real es menor al deseado abriremos la válvula para que fluya el agua y esto sería nuestro controlador ON-OFF.
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1 .6361
den(s)
Tan uqes Acopla dos Salid aRe lay
Erro r
15 cm
Figura 2. Esquem a control ON-OFF.
El bloque de relay que nos br inda matlab, representa nuestro control ON-OFF donde acomodando los parámetros del bloque, tenemos que si el error es 0.01 la salida del control es 0 y si es de -0.01 la salida es de 20 que representa un flujo de agua a la entrada de la planta de 20 cm3/s equivalentes a aplicar un voltaje de aprox imadamente 3 voltios.
Figura 3. Error control O N-O FF.
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15
Figura 4. Salida del sistema con control O N-OFF.
Bibliografía recomendada y enlaces de interés 1. NISE Norman. Sistemas de control para ingeniería. 3ra Edición. CESCA. 2000 2. KUO Benjamín. Sistemas de control automático. 7a Edición. Prentice Hall 1995. 3. OGATA K. Ingeniería de control moderna. 3ra Edición. Prentice Hall 1997. 4. FRANKLIN G. Control de sistemas dinámicos con retroalimentación. Addison Wesley Iberoamericana. 1991. 5. CHEN C. Analog and digital Control Systems Design. Saunders College Publishing. 1994. 6. DORF C. Modern Control Systems. Addison Wesley Iberoamericana. 1989. 7. Quanser, Specialty Plants, Coupled Water Tanks User Manual
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Matriz de evaluación
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES LABORATORIO DE ANALISIS DE SISTEMAS DE CONTROL DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA Matriz de Evaluación Sesión 3: Control manual de la Pl anta e introducción al concepto de realimentaci ón Nombres: ____________________________ ___________________________________ Grupo:
Iniciando Insuficiente Justo Apropiado Mejor %(0-40) %(40-60) %(60-70) %(70-90) %(90-100) Aspecto %
Resultado
Exploración previa y cierre de la práctica.
35 No desarrolló ninguna de las dos secciones.
Desarrolló algunos puntos de las secciones.
Desarrolló los puntos pero sin claridad ni fundamento.
Desarrolló las dos secciones, pero falta claridad en algunos puntos.
Desarrolló las dos secciones con opiniones claras y bien fundamentadas.
Notas de Desarrollo
30 No presentó ninguna nota de desarrollo.
Desarrolló algunos de los puntos planteados.
Desarrolló todos los puntos planteados, pero la mayoría están incompletos o incorrectos.
Desarrolló todos los puntos planteados completamente.
Desarrolló todos los puntos completos y de forma correcta sustentando bien sus respuestas.
Desarrollo de la práctica
35 No presentó un control manual de la planta ó no asistió.
Intentó un control parcial sin éxito.
Logró un control parcial de la planta pero no intentó un control total.
Realizó un control parcial y total de la planta.
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UNIDAD 2: Introducción al Control de la Planta Sesión 3 y 4: Modelado de la planta
3 .1 Resumen
El est udiante obtendrá un modelo matemático de la planta con el cual podrá trabajar en simulaciones y otros. Este modelo será validado para asegurar que sea una buena representación de la planta.
3.2 Objetivos
• Obtener un modelo validado de la planta en forma de función de transferencia. • Comprobar el modelo mediante sim ulación. (Respuesta a lazo abierto).
3.3 Materiales
• Planta de Tanques Acoplados • Un computador donde esté instalado Matlab. • Tarjeta de adquisición de datos compatible con la planta seleccionada • Una fuente de poder para la planta. • Guía del estudiante
3.4 Tiempo previsto
• Presencial dos horas • Trabajo independiente estimado una hora
3.5 Conceptos que se trabajarán en la sesión
• Sistemas • Sistemas de control • Tarjeta de adquisición de datos • Física
Guiando al alumno
• El est udiante deberá llegar a la esta sesión habiendo realizado un trabajo previo de modelado y linealización de la planta. Sin esta parte no se podrá continuar con la práctica.
• Luego el estudiante responderá una serie de preguntas de exploración previa que miden el manejo y conocimiento por parte de él sobre el tema.
• Para el desarrollo de la práctica se hará una introducción y familiar ización a Matlab, explicando los aspectos básicos de éste requeridos para el desarrollo del laboratorio.
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• Luego el estudiante deberá trabajar con matlab para la validación del modelo realizado prev iamente.
• Faltando diez minutos al final de la práctica los estudiantes deberán resolver las preguntas de cierre de práctica, recuerde que estas son preguntas de reflexión para cumplir el último ciclo de Kolb.
Como se podría abordar el problema Modelo de la Planta: H1: nivel del tanque 1.[cm] H2: nivel del tanque 2.[cm] Qi: velocidad de flujo de la bom ba.[cm3/s] A: área de la sección transversal de los tanques.[cm2] ab,c: área transversal de los orificios de los tanques.[cm2] (Por defecto es el orif icio medio). C db,dc: Coef iciente de descarga de las válvulas (orificios). Área efectiva de salida. U: potencial aplicado a la bomba.[V] (Relación proporcional con Qi) Q b: velocidad de flujo del or ificio del tanque 1. [cm3/s] Q c: velocidad de flujo del orif icio del tanque 2. [cm3/s]
Figura 1. Esquem a físico de los tanques acoplados.
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19
A = π∗R2 = π∗(4.445cm /2)2 = 15.5179cm2 ab,c = π∗ r2 = π∗(0.47625cm/2)2 = 0.178139cm2 Cdb,dc = 0.6, para orificios con bordes bien marcados. Por la ecuación de equilibrio de flujo, tenemos: Tanque 1:
(1)dt
dHAQbQi 1=−
Tanque 2:
(2)dt
dHAQcQb 2=−
Si las válvulas las consideramos como orificios ideales, tenemos lo siguiente:
)1(2* HgaCdbQb b= y 22* gHaCdcQc c= . Reemplazando en las ecuaciones 1 y 2, nos queda: Tanque 1:
(3)dt
dHAHgaCdbQi b1)1(2* =−
Tanque 2:
(4)dt
dHAgHaCdcHgaCdb cb222*)1(2* =−
• Linealización: Necesitamos linealizar la parte no lineal de las ecuaciones alrededor de puntos de operación H10 y H20. Esta parte no lineal es la raíz cuadrada y para esto utilizamos series de Taylor. (A) H1= H10 + δH1, (B) H2= H20 + δH2
(C ) )()2(
22 000 HHHdH
gHdgHgH −=−
Reemplazando (A) y (B) respectivamente en (C), resolv iendo la derivada y despejando el término a linealizar, tenemos:
(D) 00 121
1212 gHH
HggH += δ
(E) 00 222
2222 gHH
HggH += δ
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20
Sabiendo que las constantes de linealización no afectan el comportamiento de nuestro sistema, las podemos ignorar. Si reemplazamos las ecuaciones (D) y (E), sin las constantes, en (3) y (4), nos quedan 2 ecuaciones respectivamente: Tanque 1:
dtHdAH
HgaCdbQi b
1112
** 0
δδ =⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−
Tanque 2:
dtHdAH
HgaCdcH
HgaCdb cb
2222
**112
** 00
δδδ =−⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
Variables de estado: Si h acemos la representación de estados de n uestro sistema linealizado, nos quedaría de la siguiente forma:
dtHdX 11
· δ= ,
dtHdX 22
· δ= , 11 HX δ= , 22 HX δ=
QiA
XX
Hg
AaCdc
Hg
AaCdb
Hg
AaCdb
XX
cb
b
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡+⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡
⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
−
−=
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡ −
021
22*
*12
**
012
**
21
1
00
0
·
·
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡21
1001
21
XX
HH
δδ
Para n uestro ejercicio vamos a suponer puntos de operación para el tanque 1 y el tan que 2 respectivamente: H10 = 20 cm, y H20 = 15 cm , tenemos:
QiXX
XX
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡+⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−
−=
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
0064442.0
21
039387.003411.0003411.0
21
·
·
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡21
1001
21
XX
HH
δδ
Si expresamos nuestras ecuaciones de estados como función de transferencia, luego de haber aplicado la transformada de Lap lace, nos queda lo siguiente:
169.5488.7436361.1
)039387.0)(03411.0()064442.0(03411.0)(2)(
2 ++=
++==
ssssQisXsG .
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21
Si organizamos la función de transferencia de tal forma que nos brinde mayor información expresándola de una forma conocida, nos queda:
)138.25)(131.29(6361.1
)1*2)(1*1()(2)(
++=
++==
ssssk
QisXsG
ττ, donde k es la ganancia
y τ1, τ2 son constantes de tiempo del sistema. La validación de cada modelo se puede realizar, comparando la respuesta a un escalón en lazo abierto de la planta real con la misma respuesta del modelo en matlab. Respuesta a Lazo Abierto: Teniendo el modelo de la planta en Matlab/Simulink ó la función de transferencia hallada, se obtiene la siguiente respuesta a lazo abierto para un escalón unitario (la entrada puede variar entre 0 y 33 que corresponde a la velocidad de f lujo Qi [cm 3/s], que corresponde a una variación entre 0y 10 voltios por la constante de la bomba (3.3 cm3/s*V)) :
Qi H2
Tanques AcopladosStep
Nivel del tanque 2
Figura 2. Es quema de simulación.
1H2
Qb H2
Tanque 2
Qi Qb
Tanque 1
1Qi
Figura 2a. Esquem a de tanques.
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22
H1A*H1 A*dH1/dt
Qb
Qi
1Qb
0
Llave
1s
Integrator
-K-
Gain 1
0.529316*u
Cdb*a*sqrt(2gh1)H11
0.529316*u
Cdb*a *sqrt(2gh1)H1
1Qi
Figura 2b. Modelo tanque 1. (Se observa la presencia de una perturbación
representada por la llave) Qb
Qc
A *dH2/dt A*H2 H21
H2
1s
Integrator
-K-
Gain1
0.611201*u
Cdc*a*sqrt(g/2h2)H2
1
Qb
Figura 2c. Modelo tanque 2.
Figura 3. Respuesta de lazo abierto.
Se observa que el sistema es estable a lazo abierto.
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23
Bibliografía recomendada y enlaces de interés 1. NISE Norman. Sistemas de control para ingeniería. 3ra Edición. CESCA. 2000 2. KUO Benjamín. Sistemas de control automático. 7a Edición. Prentice Hall 1995. 3. OGATA K. Ingeniería de control moderna. 3ra Edición. Prentice Hall 1997. 4. FRANKLIN G. Control de sistemas dinámicos con retroalimentación. Addison Wesley Iberoamericana. 1991. 5. CHEN C. Analog and digital Control Systems Design. Saunders College Publishing. 1994. 6. DORF C. Modern Control Systems. Addison Wesley Iberoamericana. 1989 7. Quanser, Specialty Plants, Coupled Water Tanks User Manual
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24
Matriz de evaluación
% Iniciando Insuficiente Justo Apropiado Mejor Resultado Aspecto %(0-40) %(40-60) %(60-70) %(70-90) %(90-100) Notas de desarrollo
50No lleva cuaderno de diseño
Solo presenta apuntes sin sentido
Presenta un esquema muy global del diseño a realizar
Presenta un esquema con explicación del proceso.
Presenta un esquema detallado del proceso donde presenta una explicación clara.
Implementación de la solución
25No mostró interés, ni resultados parciales.
No logran implementar correctamente la práctica.
No se evidencio funcionamiento de la práctica pero cada integrante justifica de forma correcta el proceso.
Se ev idencia funcionamiento de la planta con pequeños márgenes de error.
Se ev idencio el correcto funcionamiento de la práctica, donde cada integrante justifica de forma correcta el desarrollo.
Desarrollo práctica
25No asistió a la sesión Muestra solo resultados parciales.
Muestran resultados pero sin análisis n i justificación
Muestra resultados con su respectivo análisis pero estos no son satisfactorios.
Se muestran resultados claros y completos donde se evidencia el procedimiento de la práctica, con resultados satisfactorios.
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25
UNIDAD 2: Introducción al Control de la Planta Sesión 5.1: Presentación y confrontación de resultados
5.1.1 Resumen
Cada grupo de estudiantes confrontará sus resultados y procedimientos y los presentarán frente a todo el grupo.
5.1.2 Objetivos
• Exponer claramente a lo s demás grupos, el proceso desarro llado y los resultados obtenidos, teniendo en cuenta dificultades y errores.
• Enterarse de otras posibilidades de solución y los resultados de estas. • Evaluar críticamente a lo s demás grupos.
5.1.3 Evaluación
• Evaluación entre grupos. • Autoevaluación.
5.1.4 Materiales
• Póster con resultados
5.1.5 Tiempo previsto
• Presencial dos horas • Trabajo independiente media hora
5.1.6 Conceptos que se trabajarán en la sesión
• Regulador • Sistemas de control • Tarjeta de adquisición de datos • Realimentación en un sistema
Guiando al alumno
• Cada grupo trae en un póster sus procedimientos y resultados de la un idad 1. • Se confrontarán los resultados con los grupos que emplearon la misma planta. • Se expondrán por grupos a los compañeros que emplearon las otras p lantas. • Se evaluarán.
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26
Matriz de evaluación UNIVERSIDAD DE LOS ANDES LABORATORIO DE ANALISIS DE SISTEMAS DE CONTROL DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA Matriz de Evaluación Sesión 4: Presentación y Confrontación de Resultados Nombres: ____________________________ ___________________________________ Grupo:
Iniciando Insuf iciente Justo Apropiado Mejor
% (0-40) %(40-60) %(60-70) %(70-90) %(90-100) Aspecto %
Resultado
Procedimientos
20% No se mostró absolutamente nada de procedimientos.
Se muestra muy pocos aspectos acerca del procedimiento realizado.
Mostró sólo algunas partes relevantes del procedimiento.
Mostró absolutamente todos los procedimientos realizados.
Se muestra claramente lo más relevante de los procedimientos.
Resultados
35% No se mostraron resultados.
Se muestran muy pocos resultados.
Se muestran sólo resultados parciales.
Se muestran resultados, pero no hay puntos de referencia ni comparación.
Se mostraron los resultados obtenidos comparándolos con los que se deseaban.
Trabajo en grupo
30% No hicieron póster. Se ve que sólo un estudiante hizo todo
Se dividieron el trabajo. Hubo colaboración de la mayoría de los del grupo en todo lo que había que hacer.
Se evidencia que todo el grupo trabajo y tiene dominio sobre el tema.
Creatividad
15% No hicieron póster. El póster no es ni llamativo ni claro.
El póster es llamativo, pero no expone lo que se requiere.
El póster expone lo que se requiere aunque no es llamativo a la vista.
El póster es llamativo y tiene los elementos pertinentes para una explicación adecuada.
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27
IEL2-I-06-34
28
PARTE 2: REGULADORES EN TIEMPO CONTINUO
UNIDAD 3: Diseño e implementación de un controlador continuo que estabilice la planta
Sesión 5.2: Diseño y simulación del regulador que estabilice la planta
5.2.1 Resumen
El est udiante diseñará un regulador que estabilice el sistema, por algún método de control clásico que él estime conveniente. Este regulador será comprobado mediante simulación donde se observará su comportamiento.
5.2.2 Objetivos
• Investigar y emplear algunas de las diferentes metodologías clásicas de diseño de reguladores
• Diseñar y sim ular un regulador continuo que logre estabilizar la p lanta.
5.2.3 Materiales
• Planta de Tanques Acoplados. • Un computador donde esté instalado Matlab. • Tarjeta de adquisición de datos compatible con la planta seleccionada • Una fuente de poder para la planta. • Guía del estudiante.
5.2.4 Tiempo previsto
• Presencial dos horas • Trabajo independiente estimado una hora y media
5.2.5 Conceptos que se trabajarán en la sesión
• Sistemas • Métodos para el diseño Regulador • Simulación en matlab • Tarjeta de adquisición de datos • Respuesta estable
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29
Guiando al alumno
• Haga una breve introducción sobre el tema indicando su posible aplicación en la industria.
• Recordar al estudiante la existencia de un espacio de Memoria de cálculo donde este deberá anotar el procedimiento.
• En las notas de diseño a ser evaluadas debe incluir las preguntas de exploración previa, desarrollo de práctica y cierre de práctica.
• Con el trabajo previo en esta sesión se pretende que el estudiante tenga ya el diseño del regulador y so lo durante la sesión tendrá que responder a las preguntas de desarro llo de práctica y validar el diseño.
• Primero el est udiante comenzara a responder una serie de preguntas de exploración previa donde este mide su manejo y conocimiento sobre el tema
• Faltando diez minutos al final de la práctica lo s estudiantes deberán resolver las preguntas de cierre de práctica, recuerde que estas son preguntas de reflexión que buscan cumplir el último ciclo de Kolb
Como se podría abordar el problema Ya habíamos visto que el sistema de tanques acoplados era estable en lazo abierto, pero ahora con el fin de implementar un sistema de control, necesitamos hacer un análisis similar del sistema en lazo cerrado.
Qi H2
Tanqu es Aco plad os Step
Salid a1
Figura 1. Es quema sistema realim entado.
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30
Figura 2. Salida sistema realimentado.
Observamos que el sistema en lazo cerrado es estable, pero que se reduce notablemente la ganancia del sistema; a partir de esto en esta sesión nos preocuparemos por lograr error cero en el sistema que en nuestro caso signif ica aumentar la ganancia hasta la deseada, para esto tenemos el siguiente esquema donde nuestra referencia es el n ivel de agua que al que queremos llegar en el tanque 2 que son 15 cm:
1 .6361
den(s)
Tan uqes Acopla dos Salid a
-K-
Pro porciona l
Erro r
15 cm
Figura 3. Esquem a del sistem a de control que logra error cero a entrada escalón.
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31
Figura 4. Error en el sistem a.
Observamos que en aproximadamente 170 segundos ya tenemos error cero a entrada escalón en nuestro sistema.
Figura 5. Salida del sistema.
Observamos que nuestro sistema se establece al nivel de la referencia en aproximadamente 170 segundos y que para esto utilizamos un regulador proporcional de 200 y cada vez que aumentábamos este valor se aumentaban el número de
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32
oscilaciones en la respuesta del sistema, haciéndo lo un sistema sub-amortiguado (0<Zita<1). Este regulador se obtuvo empíricamente cambiando el valor de la ganancia de éste en sim ulación hasta que se obtuvo el resultado obtenido. Bibliografía recomendada y enlaces de interés 1.NISE Norman. Sistemas de control para ingeniería. 3ra Edición. CESCA. 2000 2. KUO Benjamín. Sistemas de control automático. 7a Edición. Prentice Hall 1995. 3. OGATA K. Ingeniería de control moderna. 3ra Edición. Prentice Hall 1997. 4. FRANKLIN G. Control de sistemas dinámicos con retroalimentación. Addison Wesley Iberoamericana. 1991. 5. CHEN C. Analog and digital Control Systems Design. Saunders College Publishing. 1994. 6. DORF C. Modern Control Systems. Addison Wesley Iberoamericana. 1989
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Matriz de evaluación
Aspecto
% Iniciando %(0-40)
Insuficiente %(40-60)
Justo %(60-70)
Apropiado %(70-90)
Mejor %(90-100)
Resultado
Notas de desarrollo
50 No lleva cuaderno de diseño
Solo presenta apuntes sin sentido
Presenta un esquema muy global del diseño a realizar
Presenta un esquema con explicación del proceso.
Presenta un esquema detallado del proceso donde presenta una explicación clara.
Trabajo Previo
25 No desarrolla ninguna idea en el trabajo previo.
Presenta un diseño sin mucha relación a la práctica.
Se muestra un diseño pobre, muestra poco procedimiento y no evidencia un claro resultado.
Se muestra un diseño con poco procedimiento aunque evidencia un resultado claro.
Presenta una buena investigación donde existe una clara relación con la práctica a desarrollar.
Desarrollo práctica
25 No asistió a la sesión
Muestra solo resultados parciales.
Muestran resultados pero sin análisis ni justificación
Muestra resultados con su respectivo análisis pero estos no son satisfactorios.
Se muestran resultados claros y completos donde se evidencia el procedimiento de la práctica, con resultados satisfactorios.
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34
UNIDAD 3: Diseño e implementación de un controlador continuo que estabilice la planta
Sesión 5.3 y 6: Implementación del regulador en la planta real
6 .1 Resumen
El est udiante implementará el regulador diseñado en la sesión anterior para observar el comportamiento del sistema completo e identificar sus características sobre la planta real.
6.2 Objetivos
• Implementar reguladores análogos a un sistema real a través de una tarjeta de comunicación
• Observar e interpretar el comportamiento del sistema frente a cam bios en la referencia y frente a posibles perturbaciones.
6.4 Materiales
• Planta de Tanques Acoplados. • Un computador donde esté instalado Matlab. • Tarjeta de adquisición de datos compatible con la planta seleccionada • Una fuente de poder para la planta. • Guía del estudiante.
6.5 Tiempo previsto
• Presencial dos horas
6.6 Conceptos que se trabajarán en la sesión
• Sistemas • Métodos para el diseño Regulador • Simulación en matlab • Tarjeta de adquisición de datos • Respuesta estable
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35
Guiando al alumno
• Recordar al estudiante la existencia de un espacio de Memoria de cálculo donde este deberá anotar el procedimiento.
• En las notas de diseño a ser evaluadas debe incluir las preguntas de exploración previa, desarrollo de práctica y cierre de práctica.
• Primero el est udiante comenzara a responder una serie de preguntas de exploración previa donde este puede medir su manejo y conocimiento sobre el tema
• Faltando diez minutos al final de la práctica lo s estudiantes deberán resolver las preguntas de cierre de práctica, recuerde que estas son preguntas de reflexión que buscan cumplir el último ciclo de Kolb
Como se podría abordar el problema Para comprobar robustez del sistema con el regulador implementado basta con agregar una perturbación al sistema y observar si sigue funcionando bajo las mismas condiciones. En nuestro caso es simplemente abrir la llave de desagüe que tiene el tanque 1. Para est udiar el comportamiento del sistema con perturbaciones, vamos a poner una ganancia en la llave del modelo que tenemos de la planta en matlab para el regulador diseñado anteriormente.
H1A*H1 A*dH1/dt
Qb
Qi
1Qb
1
Llave
1s
Integrator
-K-
Gai n1
0.529316*u
Cdb*a*sqrt(2gh1)H11
0.529316*u
Cdb*a* sqrt (2gh1)H1
1
Qi
Figura 1. Modelo tanque 1 con perturbación. (Llave abierta: ganancia 1)
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36
Figura 2. Respuesta a control Proporcional con perturbación.
Observamos que el regulador Proporcional diseñado es robusto en cuanto a que mantiene el comportamiento original del sistema frente a una perturbación, como es sus oscilaciones y el tiempo de establecimiento. Bibliografía recomendada y enlaces de interés 1. NISE Norman. Sistemas de control para ingeniería. 3ra Edición. CESCA. 2000 2. KUO Benjamín. Sistemas de control automático. 7a Edición. Prentice Hall 1995. 3. OGATA K. Ingeniería de control moderna. 3ra Edición. Prentice Hall 1997. 4. FRANKLIN G. Control de sistemas dinámicos con retroalimentación. Addison Wesley Iberoamericana. 1991. 5. CHEN C. Analog and digital Control Systems Design. Saunders College Publishing. 1994. 6. DORF C. Modern Control Systems. Addison Wesley Iberoamericana. 1989
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Matriz de evaluación
Aspecto
% Iniciando %(0-40)
Insuf iciente % (40-60)
Justo % (60-70)
Apropiado % (70-90)
Mejor %(90-100)
Resultado
Notas de desarrollo 25 No lleva cuaderno de diseño
Solo presenta apuntes sin sentido
P resenta un esquema muy global del diseño a realizar
P resenta un esquema con explicación del proceso.
Presenta un esquema detallado del proceso donde presenta una explicación clara.
Implementación de la solución
25 No mostró interés, ni resultados parciales.
No logran implementar correctamente la práctica.
No se evidencio funcionamiento de la práctica pero cada integrante justifica de forma correcta el proceso.
Se evidencia funcionamiento de la planta con pequeños márgenes de error.
Se evidencio el correcto funcionamiento de la práctica, donde cada integrante justifica de forma correcta el desarrollo.
Desarrollo práctica 25 No asistió a la sesión
Muestra solo resultados parciales.
Muestran resultados pero sin análisis ni justificación
Muestra resultados con su respectivo análisis pero estos no son satisfactorios.
Se muestran resultados claros y completos donde se evidencia el procedimiento de la práctica, con resultados satisfactorios.
Autoevaluación 25 No hubo participación de ningún tipo por parte del estudiante en el proceso de la practica.
La participación fue muy poca
P articipo solo en la primera sesión.
P articipo en ambas sesiones aunque su aporte al grupo no fue mucho.
Participó activamente en ambas sesiones, aportando ideas a la solución del problema.
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UNIDAD 4: Diseño e implementación de un regulador continuo que responda a especificaciones dadas Sesión 7.1: Diseño y simulación del regulador que cumpla con ciertas especificaciones
7.1.1 Resumen
El estudiante diseñará un regulador que haga que el sistema sea sub-amortiguado, tenga un tiempo de establecimiento de 100 segundos y error cero a escalón por algún método de control clásico que él estime conveniente. Este regulador será comprobado mediante simulación donde se observará su comportamiento
7.1.2 Objetivos
• Diseñar y sim ular un regulador continuo bajo ciertas condiciones de diseño.
7.1.3 Materiales
• Planta de Tanques Acoplados. • Un computador donde esté instalado Matlab. • Tarjeta de adquisición de datos compatible con la planta seleccionada • Una fuente de poder para la planta. • Guía del estudiante.
7.1.4 Tiempo previsto
• Presencial dos horas • Trabajo independiente estimado una hora y media
7.1.5 Conceptos que se trabajarán en la sesión
• Sistemas • Métodos para el diseño Regulador • Simulación en matlab • Tarjeta de adquisición de datos • Respuesta estable
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39
Guiando al alumno
• Haga una breve introducción sobre el tema indicando su posible aplicación en la industria.
• Recordar al estudiante la existencia de un espacio de Memoria de cálculo donde este deberá anotar el procedimiento.
• En las notas de diseño a ser evaluadas debe incluir las preguntas de exploración previa, desarrollo de práctica y cierre de práctica.
• Con el trabajo previo en esta sesión se pretende que el estudiante tenga ya el diseño del regulador y so lo durante la sesión tendrá que responder a las preguntas de desarro llo de práctica y validar el diseño.
• Primero el est udiante comenzara a responder una serie de preguntas de exploración previa donde este mide su manejo y conocimiento sobre el tema
• Faltando diez minutos al final de la práctica lo s estudiantes deberán resolver las preguntas de cierre de práctica, recuerde que estas son preguntas de reflexión que buscan cumplir el último ciclo de Kolb
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Como se podría abordar el problema En esta sesión se pretende diseñar un regulador continuo por un método seleccionado por el estudiante que haga que la planta tenga un tiempo de establecimiento de 100 segundos, error cero a escalón y sub-amortiguado.
ErrorQi H2
Tanq ues Acoplad osSa lida
H(s)
???
Regu lado rRefere ncia
Figura 1. Sistema de Control (Lazo Cerrado).
La función de transferencia de un sistema de control en lazo cerrado está dada por:
)()(1)()(
)()(
sHsGsHsG
sRsY
+= , y su ecuación característica es: 1+G(s)H(s) = 0.
Esta ecuación característica nos br inda la información de los polos del sistema donde se encuentra también la información acerca del factor de amortiguamiento (Zita) y la frecuencia nat ural del sistema. Lugar de las Raíces: Para este caso podemos diseñar un regulador mediante lugar de las raíces con la ayuda del sisotool de matlab en el que podemos ubicar los po los y ceros del regulador necesario s para obtener las respuestas deseadas. Esto se resume en ubicar los polos en una región de estabilidad que en el caso continuo es el semiplano real negativo e intersectando las condiciones de amortiguamiento y tiempo de establecimiento deseadas. Utilizando un Zita=0.7 se obt uvo lo siguiente:
1.6361
den(s)T anques acoplados
SalidaReferencia
num(s)
den(s)Lugar Raices
-K-
Gain
Figura 2. Esquem a control por lugar de las Raíces.
Donde el regulador es:
263.7669 (s^2 + 0.09153s + 0.002518) H (S) = ----------------------------------------------- (s+0.0002041) ( s+3.035) ( s+3.592)
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41
Figura 3. Root Locus Matlab, diagram a de ceros y polos.
Figura 3a. Visto más de cerca.
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42
Figura 4. Respuesta del sistema.
Observamos que el tiempo de establecimiento se da cuando el valor de respuesta esta en un rango entre el 5% del valor final que es 1 y mediante sim ulación del sistema con un controlador por lugar de las raíces se obtiene en 101 segundos que es una aproximación bastante buena y al utilizar un Zita de 0.7 aseguramos el sub-amortiguamiento del sistema reflejado en una oscilación en la respuesta de éste.
Figura 5. Respuesta del sistem a a una referencia de 15.
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43
PID
Un regulador PID consta de una parte Proporcional, una parte Integradora y otra Derivativa donde con la parte Proporcional se ajusta la ganancia del sistema, con la Integradora ajusta el error y la Derivativa el tiempo de respuesta. El PID posee una función de transferencia de la siguiente manera:
sDsIPsKd
sKiKpsPID *)*1()( ++=++=
Si lo que deseamos es diseñar un regulador PID (Proporcional, Integrador, Derivador) que es un regulador bastante usado en la industria podemos hacer lo mediante Ziegler Nicho ls, de la siguiente forma:
Figura 6. Parámetros para Ziegler-Nichols
Luego de haber hallado los valores L y T y habiendo hallado todas las constantes para el diseño de un PID según la tabla, obtenemos el siguiente regulador:
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44
1.6361
den(s)T anques acoplados1
Salida1Referenc ia1
PID
PID Ziegler-Nichols
Figura 2. Es quema control PID.
ss
sDsIPsPID *75.80285.09867.1*)( ++=++=
Figura 3. Respuesta del sistema control PID a una referencia de 15.
Observamos que se cumplen las especificaciones deseadas de amortiguamiento, error cero a entrada escalón y tiempo de establecimiento. Bibliografía recomendada y enlaces de interés 1. NISE Norman. Sistemas de control para ingeniería. 3ra Edición. CESCA. 2000 2. KUO Benjamín. Sistemas de control automático. 7a Edición. Prentice Hall 1995. 3. OGATA K. Ingeniería de control moderna. 3ra Edición. Prentice Hall 1997. 4. FRANKLIN G. Control de sistemas dinámicos con retroalimentación. Addison Wesley Iberoamericana. 1991. 5. CHEN C. Analog and digital Control Systems Design. Saunders College Publishing. 1994. 6. DORF C. Modern Control Systems. Addison Wesley Iberoamericana. 1989
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Matriz de evaluación
Aspecto
% Iniciando %(0-40)
Insuficiente %(40-60)
Justo %(60-70)
Apropiado %(70-90)
Mejor %(90-100)
Resultado
Notas de desarrollo
50 No lleva cuaderno de diseño
Solo presenta apuntes sin sentido
Presenta un esquema muy global del diseño a realizar
Presenta un esquema con explicación del proceso.
Presenta un esquema detallado del proceso donde presenta una explicación clara.
Trabajo Previo
25 No desarrolla ninguna idea en el trabajo previo.
Presenta un diseño sin mucha relación a la práctica.
Se muestra un diseño pobre, muestra poco procedimiento y no evidencia un claro resultado.
Se muestra un diseño con poco procedimiento aunque evidencia un resultado claro.
Presenta una buena investigación donde existe una clara relación con la práctica a desarrollar.
Desarrollo práctica
25 No asistió a la sesión
Muestra solo resultados parciales.
Muestran resultados pero sin análisis ni justificación
Muestra resultados con su respectivo análisis pero estos no son satisfactorios.
Se muestran resultados claros y completos donde se evidencia el procedimiento de la práctica, con resultados satisfactorios.
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UNIDAD 4: Diseño e implementación de un regulador continuo que responda a especificaciones dadas Sesión 7.2 ,8 y 9: Implementación del regulador en la planta real
8 .1 Resumen
El est udiante implementará el regulador diseñado en la sesión anterior para observar el comportamiento del sistema completo e identificar y ver ificar sus características sobre la planta real. .
8.2 Objetivos
• Implementar el regulador diseñado sobre la planta en tiempo real. • Observar e interpretar el comportamiento del sistema frente a cam bios en la
referencia y frente a posibles perturbaciones.
8.3 Materiales
• Planta de Tanques Acoplados. • Un computador donde esté instalado Matlab. • Tarjeta de adquisición de datos compatible con la planta seleccionada • Una fuente de poder para la planta. • Guía del estudiante.
8.4 Tiempo previsto
• Presencial dos horas
8.5 Conceptos que se trabajarán en la sesión
• Sistemas • Métodos para el diseño Regulador • Simulación en matlab • Tarjeta de adquisición de datos • Respuesta estable
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Guiando al alumno • Recordar al estudiante la existencia de un espacio de Memoria de cálculo donde
este deberá anotar el procedimiento. • En las notas de diseño a ser evaluadas debe incluir las preguntas de exploración
previa, desarrollo de practica y cierre de práctica. • Primero el est udiante comenzara a responder una serie de preguntas de
exploración previa donde este puede medir su manejo y conocimiento sobre el tema
• Faltando diez minutos al final de la práctica lo s estudiantes deberán resolver las preguntas de cierre de práctica, recuerde que estas son preguntas de reflexión que buscan cumplir el último ciclo de Kolb
Como se podría abordar el problema Hacemos un análisis similar al hecho en la sesión 6.
Figura 2. Respuesta del sistem a con lugar de las raíces.
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Figura 3. Respuesta del sistem a con PID.
Observamos que el regulador diseñado por lugar de las raíces es más robusto que el PID ya que en presencia de la pert urbación no se altera tanto su funcionamiento aunque el overshoot cambia, pero en el PID cambia tanto el overshoot y también el tiempo de establecimiento del sistema. Bibliografía recomendada y enlaces de interés 1. NISE Norman. Sistemas de control para ingeniería. 3ra Edición. CESCA. 2000 2. KUO Benjamín. Sistemas de control automático. 7a Edición. Prentice Hall 1995. 3. OGATA K. Ingeniería de control moderna. 3ra Edición. Prentice Hall 1997. 4. FRANKLIN G. Control de sistemas dinámicos con retroalimentación. Addison Wesley Iberoamericana. 1991. 5. CHEN C. Analog and digital Control Systems Design. Saunders College Publishing. 1994. 6. DORF C. Modern Control Systems. Addison Wesley Iberoamericana. 1989
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Matriz de evaluación
Aspecto
% Iniciando %(0-40)
Insuf iciente % (40-60)
Justo % (60-70)
Apropiado % (70-90)
Mejor %(90-100)
Resultado
Notas de desarrollo 25 No lleva cuaderno de diseño
Solo presenta apuntes sin sentido
P resenta un esquema muy global del diseño a realizar
P resenta un esquema con explicación del proceso.
Presenta un esquema detallado del proceso donde presenta una explicación clara.
Implementación de la solución
25 No mostró interés, ni resultados parciales.
No logran implementar correctamente la práctica.
No se evidencio funcionamiento de la práctica pero cada integrante justifica de forma correcta el proceso.
Se evidencia funcionamiento de la planta con pequeños márgenes de error.
Se evidencio el correcto funcionamiento de la práctica, donde cada integrante justifica de forma correcta el desarrollo.
Desarrollo práctica 25 No asistió a la sesión
Muestra solo resultados parciales.
Muestran resultados pero sin análisis ni justificación
Muestra resultados con su respectivo análisis pero estos no son satisfactorios.
Se muestran resultados claros y completos donde se evidencia el procedimiento de la práctica, con resultados satisfactorios.
Autoevaluación 25 No hubo participación de ningún tipo por parte del estudiante en el proceso de la practica.
La participación fue muy poca
P articipo solo en la primera sesión.
P articipo en ambas sesiones aunque su aporte al grupo no fue mucho.
Participó activamente en ambas sesiones, aportando ideas a la solución del problema.
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UNIDAD 5: Presentación y confrontación de resultados Sesión 10.1: Presentación y confrontación de resultados
10.1.1 Resumen
Cada grupo de estudiantes confrontará sus resultados y procedimientos y los presentarán frente a todo el grupo.
10.1.2 Objetivos
• Identificar otras alternativas de solución para controlar la p lanta. • Mejorar su prop io trabajo a través del análisis del trabajo realizado por otros
grupos
10.1.3 Materiales
• Póster con resultados
10.1.4 Tiempo previsto
• Presencial dos horas • Trabajo independiente estimado media hora
10.1.5 Conceptos que se trabajarán en la sesión
• Regulador • Sistemas de control • Tarjeta de adquisición de datos • Realimentación en un sistema
Guiando al alumno
• Cada grupo trae en un póster sus procedimientos y resultados de la un idad 1. • Se confrontarán los resultados con los grupos que emplearon la misma planta. • Se expondrán por grupos a los compañeros que emplearon las otras p lantas. • Se evaluarán.
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PARTE 3: CONTROLADOR DIGITAL
UNIDAD 6: Diseño de un regulador digital por el método indirecto
Sesión 10.2: Diseño y simulación de un regulador en tiempo discreto
10.2.1 Resumen
El est udiante diseñará un regulador por medio de un método indirecto que él estime conveniente. Este regulador será comprobado mediante simulación donde se observará su comportamiento.
10.2.2 Objetivos
• Diseñar un controlador discreto por método indirecto • Simular un controlador discreto para establecer sus condiciones de
funcionamiento
10.2.3 Materiales
• Planta de Tanques Acoplados. • Un computador donde esté instalado Matlab. • Tarjeta de adquisición de datos compatible con la planta seleccionada • Una fuente de poder para la planta. • Guía del estudiante.
10.2.4 Tiempo previsto
• Presencial dos horas • Trabajo independiente estimado una hora y media
10.2.5 Conceptos que se trabajarán en la sesión
• Métodos para el diseño Regulador discreto • Simulación en matlab • Tarjeta de adquisición de datos • Tiempo de muestreo
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Guiando al alumno • El estudiante realizará una investigación prev ia a la práctica para lograr hacer el
trabajo prev io planteado en la guía del estudiante. Este trabajo previo corresponde a métodos de discretización y diseño de un regulador discreto, así que sin éste trabajo no se puede continuar la práctica.
• Durante el desarrollo de la práctica, el estudiante simulará y validará en matlab el regulador diseñado según las especificaciones dadas.
• Faltando diez minutos al final de la práctica lo s estudiantes deberán resolver las preguntas de cierre de práctica, recuerde que estas son preguntas de reflexión para cumplir el último ciclo de Kolb.
Como se podría abordar el problema Para el control digital, el problema surge de querer reemplazar el controlador análogo por un computador o implementar un regulador desde un computador. Como sabemos el computador trabaja de forma discreta muestreando las señales con una determinada frecuencia y generalizando la información que allí obtiene. Desde este punto de vista nuestro problema de control se div ide en 2 casos: Indirecto: en este caso se diseña un regulador en tiempo continuo y luego se discretiza para ser implementado posteriormente. Directo: en este caso se tiene un proceso continuo que se discretiza y con base en esta planta discretizada se diseña un regulador y se implementa. Existen distintos métodos para discretizar reguladores como lo son la diferencia atrás, diferencia adelante y la función bilineal. Es muy importante tener en cuenta que en estos procesos de discretización se debe tener un tiempo de muestreo adecuado para que se obtenga toda la información necesar ia de la función. Por otro lado si lo que se desea es dicretizar la planta, necesar iamente se tiene que seguir la siguiente ecuación:
⎭⎬⎫
⎩⎨⎧−= −
ssGZzzG )()1()( 1 , donde (1-z-1) representa la discretización de un integrador, y
Z{} corresponde a la transformada Z. Aparte de esto existen técn icas de diseño del regulador tales como lugar de las raíces (versión discreta) y la diofantina. Tiem po de m uestreo: Sabemos que la frecuencia de muestreo apropiada es de 5 a 10 veces la frecuencia máxima del sistema, así que si sabemos que el tiempo de establecimiento deseado es 100 segundos, entonces tenemos lo siguiente:
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HzTs
fFm 1.0)100
1(105)1(105max105 =→=→=→= , este resultado es tomando
un factor de 10 para que nos de un tiempo de muestreo aproximadamente entero y apropiado para obtener buenos resultados.
sFm
Tm 101==
METODO DIREC TO Discretización de la planta: Recordemos la función de transferencia de nuestra planta en tiempo continuo:
169.5488.7436361.1)( 2 ++
=ss
sG , ahora para discretizarla resolvemos:
⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
++−=
⎭⎬⎫
⎩⎨⎧−= −−
)169.5488.743(6361.1)1()()1()( 2
11
sssZz
ssGZzzG , con la ayuda de la
función de Matlab c2d, el tiempo de muestreo apropiado y con un método de zoh (retenedor de orden 0) nos queda lo siguiente:
zzzzG
8325.0003413.02706.0)( 2 −
+= .
Lugar de las raíces: Consiste en el mismo principio de continuo, de ubicar los polos y ceros en una región de estabilidad y cumpliendo las especificaciones dadas. En el caso discreto esta región de estabilidad es el círculo un itario, por lo que se resume a que la magnit ud de los po los sean menores o iguales a 1 (|Z1|<=1). Los polos dominantes son los más cercanos al círculo un itario.
Figura 1. Root Locus Discreto Matlab. Regulador discreto C(z).
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Zero-OrderHold
1.6361
den(s)
Transfer Fcn4 Salida
num(z)
den(z)Regul ador Discreto
-K-
Gain15 cm
Figura 2. Es quema Sistem a de C ontrol digital.
El retenedor de orden cero, se coloca después del regulador digital con el fin de mandar una señal continua a la planta, la cual es continua también. Este retenedor vendría siendo un conversor digital-análogo.
Figura 3. Respuesta al regulador discreto método directo.
Observamos en la respuesta del sistema que se cumplen las especificaciones y los cambios un poco bruscos de la señal son simplemente que en ese momento es que se toma el dato de la señal debido al tiempo de muestreo. Método de la Diofantina: Ahora diseñaremos un regulador para esta planta discretizada por medio de la diofantina:
BRZzASP d−− +−= )1( 1 , donde P es el polinomio característico de las especificaciones y A, B, S, R y Z-d corresponden a lo que se muestra en el siguiente esquema:
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Figura 4. Es quema para la Diofantina.
Sabemos que nuestro polinomio característico debido a las especificaciones es el mismo que teníamos en continuo, así que tenemos dos po los en s: s1 = -0.04 + 0.0408 i, s2 = -0.04 – 0.0408i. Por mapeo de polos, tenemos los polos equivalentes discretos: Z1 = 0.96 + 0.0392i, z2 = 0.96 – 0.0392i. Por consiguiente 9231.092.1)2)(1( 2 +−=−−= zzzzzzP Ahora ingresando todos los valores a la función ‘bezout’ de matlab que nos resuelve la ecuación diofantina, tenemos que nuestro regulador es:
1331.09763.01094.14918.05031.0
)()()( 12
1
1
11
++−−
== −−
−
−
−−
zzz
zAzBzH
METODO INDIREC TO Discretizando el regulador diseñado por lugar de las raíces en continuo (Sesión 7.1) con la ayuda de la función ‘c2d’ de matlab y poniéndolo en el sistema junto a un retenedor de orden cero antes de la planta tenemos lo siguiente:
2.777 z 2 - 2.169 z + 3.025e-011 G(z)=----------------------------------------------------
z^3 - 0.998 z^2 + 6.6e-014 z - 1.742e-029
Zero-OrderHold
1.6361
den(s)
Transfer Fcn4 Salida
num(z)
den(z)Regul ador Discreto
-K-
Gain15 cm
Figura 5. Es quema Control digital.
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Figura 6. Respuesta al regulador discreto método indirecto.
Observamos que la respuesta del sistema cambia un poco a comparación del comportamiento del sistema con el regulador continuo. El tiempo de establecimiento cambia y el overshoot también.
Bibliografía recomendada y enlaces de interés 1. REINOSO. Sistemas de control en tiempo discreto. Mc. Graw Hill 2. KUO Benjamín. Sistemas de control automático. 7a Edición. Prentice Hall 1995. 3. OGATA K. Sistemas de Control en tiempo discreto. Segunda Edición. Prentice Hall. 4. OGATA K. "Ingeniería de Control Moderna". Prentice Hall. 5. ASTROM K; WITTENMARK B. "Computer-Control led Systems". Prentice-Hall. 6. SMITH C; CORRIPIO A. "Control Automático de Procesos". Limusa
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Matriz de evaluación
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES LABORATORIO DE ANALISI S DE SISTEMAS DE CONTROL DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA Matriz de Evaluación Sesión 10: Diseño de un r egulador digital por un método indirecto Nombres: ____________________________ ___________________________________ Grupo: Iniciando Insuficiente Justo Apropiado Mejor Aspecto
% %(0-40) %(40-60) %(60-70) %(70-90) %(90-100)
Resultado
Notas de desarrollo
50 No lleva cuaderno de diseño
Solo presenta apuntes sin sentido
Presenta un esquema muy global del diseño a realizar
Presenta un esquema con explicación del proceso.
Presenta un esquema detallado del proceso donde presenta una explicación clara.
Trabajo Previo
25 No desarrolla ninguna idea en el trabajo previo.
Presenta un diseño sin mucha relación a la práctica.
Se muestra un diseño pobre, muestra poco procedimiento y no evidencia un claro resultado.
Se muestra un diseño con poco procedimiento aunque evidencia un resultado claro.
Presenta una buena investigación donde existe una clara relación con la práctica a desarrollar.
Desarrollo práctica
25 No asistió a la sesión
Muestra solo resultados parciales.
Muestran resultados pero sin análisis ni justificación
Muestra resultados con su respectivo análisis pero estos no son satisfactorios.
Se muestran resultados claros y completos donde se evidencia el procedimiento de la práctica, con resultados satisfactorios.
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UNIDAD 6: Diseño de un regulador digital por el método indirecto Sesión 10.3, 11 y 12.1: Implementación del regulador en la planta real
11.1 Resumen
El est udiante implementará el regulador diseñado en la sesión anterior para observar el comportamiento del sistema completo e identificar y ver ificar sus características sobre la planta real.
11.2 Objetivos
• Funcionalidad de operación del sistema real. • Auto evaluación
11.3 Materiales
• Planta de Tanques Acoplados. • Un computador donde esté instalado Matlab. • Tarjeta de adquisición de datos compatible con la planta seleccionada • Una fuente de poder para la planta. • Guía del estudiante.
11.4 Tiempo previsto
• Presencial dos horas
11.5 Conceptos que se trabajarán en la sesión
• Sistemas • Métodos para el diseño Regulador • Simulación en matlab • Tarjeta de adquisición de datos • Respuesta estable
Guiando al alumno
• El estudiante llegará con el regulador diseñado y simulado en la sesión anterior listo para ser implementado sobre la planta real con ayuda de matlab y la tarjeta de adquisición de datos.
• El estudiante deberá verificar el funcionamiento de todo el sistema según las especificaciones dadas
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Como se podría abordar el problema Siguiendo el mismo procedimiento de la sesión 6, miramos robustez ahora en el controlador discreto:
Zero-OrderHold
Qi H 2
Tanques Acoplados Lineal izados
Sal ida
num(z)
den(z)Regulador Discreto
-K-
Gain15 cm
Figura 1. Esquem a control digital con perturbación.
METODO DIREC TO
Figura 2. Respuesta del sistem a método directo.
Como podemos observar el sistema es poco robusto ya que vuelve el sistema sobre-amortiguado y además la señal se daña un poco. En cuanto al tiempo de respuesta se mantiene.
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METODO INDIRECTO
Figura 3. Respuesta del sistema método indirecto.
El sistema con el regulador discreto por el método indirecto es poco robusto ya que al aplicarle una pert urbación el sistema oscila bastante, haciendose mucho mñas largo el tiempo de establecimiento y produciendose un overshoot mayor.
Bibliografía recomendada y enlaces de interés 1. REINOSO. Sistemas de control en tiempo discreto. Mc. Graw Hill 2. KUO Benjamín. Sistemas de control automático. 7a Edición. Prentice Hall 1995. 3. OGATA K. Sistemas de Control en tiempo discreto. Segunda Edición. Prentice Hall. 4. OGATA K. "Ingeniería de Control Moderna". Prentice Hall. 5. ASTROM K; WITTENMARK B. "Computer-Control led Systems". Prentice-Hall. 6. SMITH C; CORRIPIO A. "Control Automático de Procesos". Limusa
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Matriz de evaluación
Aspecto
% Iniciando %(0-40)
Insuf iciente % (40-60)
Justo % (60-70)
Apropiado % (70-90)
Mejor %(90-100)
Resultado
Notas de desarrollo 25 No lleva cuaderno de diseño
Solo presenta apuntes sin sentido
P resenta un esquema muy global del diseño a realizar
P resenta un esquema con explicación del proceso.
Presenta un esquema detallado del proceso donde presenta una explicación clara.
Implementación de la solución
25 No mostró interés, ni resultados parciales.
No logran implementar correctamente la práctica.
No se evidencio funcionamiento de la práctica pero cada integrante justifica de forma correcta el proceso.
Se evidencia funcionamiento de la planta con pequeños márgenes de error.
Se evidencio el correcto funcionamiento de la práctica, donde cada integrante justifica de forma correcta el desarrollo.
Desarrollo práctica 25 No asistió a la sesión
Muestra solo resultados parciales.
Muestran resultados pero sin análisis ni justificación
Muestra resultados con su respectivo análisis pero estos no son satisfactorios.
Se muestran resultados claros y completos donde se evidencia el procedimiento de la práctica, con resultados satisfactorios.
Autoevaluación 25 No hubo participación de ningún tipo por parte del estudiante en el proceso de la practica.
La participación fue muy poca
P articipo solo en la primera sesión.
P articipo en ambas sesiones aunque su aporte al grupo no fue mucho.
Participó activamente en ambas sesiones, aportando ideas a la solución del problema.
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UNIDAD 7: Presentación y confrontación de resultados Sesión 12.2: Presentación y confrontación de resultados
12.2.1 Resumen
Cada grupo de estudiantes confrontará sus resultados y procedimientos y los presentarán frente a todo el grupo.
12.2.2 Objetivos
• Identificar otras alternativas de solución para controlar la p lanta • Mejorar su prop io trabajo a través del análisis del trabajo realizado por otros
grupos.
12.2.3 Materiales
• Póster con resultados
12.2.4 Tiempo previsto
• Presencial dos horas • Trabajo independiente estimado media hora
12.2.5 Conceptos que se trabajarán en la sesión
• Regulador • Sistemas de control • Tarjeta de adquisición de datos • Realimentación en un sistema
Guiando al alumno
• Cada grupo trae en un póster sus procedimientos y resultados de la un idad 1. • Se confrontarán los resultados con los grupos que emplearon la misma planta. • Se expondrán por grupos a los compañeros que emplearon las otras p lantas. • Se evaluarán.
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Matriz de evaluación
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES LABORATORIO DE ANALISIS DE SISTEMAS DE CONTROL DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA Matriz de Evaluación Sesión 12.2: Presentación y Confrontación de Resultados Nombres: ____________________________ ___________________________________ Grupo:
Iniciando Insuf iciente Justo Apropiado Mejor %(0-40) % (40-60) %(60-70) %(70-90) % (90-100) Aspecto %
Resultado
Procedimientos
20% No se mostró absolutamente nada de procedimientos.
Se muestra muy pocos aspectos acerca del procedimiento realizado.
Mostró sólo algunas partes relevantes del procedimiento.
Mostró absolutamente todos los procedimientos realizados.
Se muestra claramente lo más relevante de los procedimientos.
Resultados
35% No se mostraron resultados.
Se muestran muy pocos resultados.
Se muestran sólo resultados parciales.
Se muestran resultados, pero no hay puntos de referencia ni comparación.
Se mostraron los resultados obtenidos comparándolos con los que se deseaban.
Trabajo en grupo
30% No hicieron póster. Se ve que sólo un estudiante hizo todo
Se dividieron el trabajo. Hubo colaboración de la mayoría de los del grupo en todo lo que había que hacer.
Se evidencia que todo el grupo trabajo y tiene dominio sobre el tema.
Creatividad
15% No hicieron póster. El póster no es ni llamativo ni claro.
El póster es llamativo, pero no expone lo que se requiere.
El póster expone lo que se requiere aunque no es llamativo a la vista.
El póster es llamativo y tiene los elementos pertinentes para una explicación adecuada.
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Anexo
TEORIA DEL APRENDIZAJE Y CO MO UTILIZARLA EN LA PRACTICA
Esta guía ha sido diseñada para brindar le una especie de ayuda al asistente del laboratorio de Control, en cuanto a tener estrategias claras de trabajo y una visión generalizada acerca de posibles soluciones a los problemas de laboratorio y el como ayudar a los estudiantes. En nuestro estilo de aprendizaje influyen muchos factores distintos pero uno de los más influyentes es el relacionado con la forma en que seleccionamos y representamos la información. Todos nosotros estamos recibiendo a cada momento y a través de nuestros sentidos una ingente cantidad de información procedente del mundo que nos rodea. Algunos de nosotros tendemos a fijarnos más en la información que recibimos visualmente, otros en la información que reciben auditivamente y otros en la que reciben a través de los demás sentidos, por tanto tenemos tres grandes sistemas para representar mentalmente la información, el sistema de representación v isual, el auditivo y el kinestésico. Por tanto en esta guía se utilizan metodologías variadas y estimulantes que permiten a cada persona “enganchar” con su estilo preferente de aprendizaje, a la vez que procuran al grupo experiencias significativas para un verdadero aprendizaje emocional. Trabajo en equipo El éxito del trabajo requerido depende de las aportaciones de las personas en estrecha interdependencia, porque a la hora de dar respuestas a las múltiples exigencias no se pueden desperdiciar las visiones complementarias. No olvide que las soluciones mas creativas siempre aparecen en el dialogo. Por tanto esta guía desarro lla el pensamiento en equipo, por medio del compromiso y visión compartida para colaborar a la solución del problema. La importancia de la inteligencia emocional Las competencias necesarias para el éxito directivo en un grupo son el 90% emocionales3, porque dirigir a los demás requiere saber dirigirse a uno mismo para poder relacionarse e influir en los demás. Esta guía facilita a los estudiantes las herramientas y el feedback necesar ios para mejorar en su propio autoconocimiento, así como habilidades autogestión y autodesarrollo para ponerlas en práctica frente a la creciente complejidad del entorno laboral.
3 http://www.aulain fantil.co m/noticias/entrevista.asp?identi ficxador=118
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Importancia en la creatividad La necesidad de diferenciarse en el mercado y dar soluciones novedosas a las expectativas de los clientes cada vez más exigentes, junto con la aceleración de cambios tecnológicos requiere desarrollar la capacidad a ofrecer respuestas creativas.
Con esta guía se pretende que el est udiante desaprenda viejos hábitos mentales, y se pueda abrir a nuevas ideas y formas de pensar, para que en el ámbito laboral aprenda e innove continuamente. Trabajo del asistente Para el buen desempeño de esta práctica se requiere que el asistente adquiera habilidades de asesor que le permitan construir una relación de alto impacto con los estudiantes, proyectando expectativas positivas ayudándoles a pensar y a descubrir, e impulsando el desarrollo pleno de su potencial.
MODELO DE KOLB Y SU USO EN LA PRACTICA
Pero además toda esa información que recibimos la podemos procesar de varias maneras. El modelo elaborado por Kolb parte de la base de que para aprender algo necesitamos trabajar con la información que recibimos. Según el modelo de Kolb un aprendizaje óptimo es el resultado de trabajar la información en cuatro fases, como muestra la f igura 2.
Figura 2 Modelo de Kolb
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Por tanto la guía esta diseñada para que el estudiante interactúe con cada una de las fases de la siguiente forma: La estructura general de guía esta dividida en tres partes cada parte con su respectiva unidad, y cada unidad a su vez en sesiones. Cada sesión consta de exploración previa, experimentación y reflexión.
Preguntas de exploración previa
Preguntas de exper imentación
Preguntas de reflexión
Figura 3 Formato de sesión
Preguntas de exploración previa: Se hacen con el objeto de que el estudiante se prepare al problema que va a enfrentar, debe tener en cuenta que estas preguntas no son de conocimientos. Preguntas de experimentación: Estas preguntas van encaminadas a ayudar al estudiante en la fase de experimentación, por tanto estas deben ser desarrolladas durante la práctica. Preguntas de reflexión: Estas preguntas van encaminadas a ayudar al estudiante en la fase de reflexión, donde repasa lo observado durante la experimentación. Preguntas de traba jo previo: estas preguntas deben ser resueltas antes de la sesión, para que los estudiantes tengan mayor libertad de investigación y por tanto creatividad en la solución. No todas las sesiones contienen este trabajo previo. (figura 4)
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Preguntas de trabajo previo
Figura 4. Formato sesión con trabajo prev io
La guía del estudiante también contiene al final de cada sesión una hoja para las notas de diseño de los estudiantes, que se deberá tomar en cuenta para la evaluación final.
Fases de Kolb y su aplicación en esta guía Actuar (Experiencia Concreta)
• En esta prácticas el estudiante interactúa f ísicamente con la planta • Las prácticas poseen un objetivo concreto es decir lo que se quiere conseguir. • Estas prácticas están elaboradas para ser realizadas en equipo. • Las tareas son poco estructuradas por tanto fomenta a los alumnos a explorar
distintas posibilidades. • Las prácticas requieren la respuesta a preguntas ¿Cómo? • Los resultados no se espera mostrarlos a tan largo plazo.
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• Se realizan presentaciones donde cada grupo expone la forma en que abordo el problema y los resultados.
Reflexionar (Observación y Reflexión)
• Para esta fase la guía contiene referencias bibliográficas. • Esta guía posee actividades que le permiten a los alumnos pensar sobre lo que
están haciendo, como son los cuestionarios. • Para esta fase también se permite a los estudiantes interactuar entre ellos, para
así comentar lo que se esta haciendo y se expliquen unos a los otros. • Las prácticas requieren la respuesta a preguntas ¿Por qué? • El tiempo es suficiente para analizar, asimilar y preparar la información. • El estudiante tiene que sacar conclusiones y analizar resultados por sí mismo.
Conceptualizar (Conceptualización abstracta)
• Para estas prácticas en la presentación de los informes se requiere que el estudiante analice los datos o información.
• Se formulan actividades para que los alumnos deduzcan conceptos a partir de la información escrita.
• Las prácticas requieren la respuesta a preguntas ¿Qué? • Se confronta lo aprendido con lo que dice la documentación esto sign ifica que se
confronta la producción de metodologías, modelos y teorías con lo que se observa en la realidad.
Experimentar (Experimentación activa)
• Se realizan simulaciones para entender el comportamiento de la planta. • Se presentan actividades que permiten aplicar la teoría y se presentan relaciones
con la vida diar ia. • Las practicas requieren la respuesta a preguntas ¿Que pasaría si? • Se permite al est udiante elaborar p lanes de acción por medio de las notas de
diseño con resultado evidente. • Se diseñan exper iencias, se desarrollan, se toman datos que luego se registran y
se por último se encuentran evidencias de resultados esperados.