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Academic Year/course: 2021/22

430 - Bachelor's Degree in Electrical Engineering

29624 - Control Engineering


Syllabus Information

Academic Year:
2021/22
Subject:
29624 - Control Engineering
Faculty / School:
110 - Escuela de Ingeniería y Arquitectura
Degree:
430 - Bachelor's Degree in Electrical Engineering
ECTS:
6.0
Year:
3
Semester:
First semester
Subject Type:
Compulsory
Module:
---

1. General information

1.1. Aims of the course

The subject and its expected results respond to the following approaches and goals:

There are two different types of goals:

Theoretical: It is intended that the student knows and manages with ease theoretical contents that support systems control using the computer. At the end of the subject the student will be able to:

  • Understand the role of the computer as an element of control.
    Represent the behavior of systems and continuous signals in discrete domain, as well as the transformation between one domain to the other.
  • Analyze and simulate the behavior of single or multi-variable systems in the discrete-time domain.
  • Design and implement control algorithms and variables estimation.
  • Understanding of the significance of distributed control and automation systems.
  • Understanding architectures, buses and industrial communication networks.

Practical:

  • The aim is for the student to be able to work with ease in a real control environment, applying and analyzing the practical scope of the theoretical learned contents. At the end of the subject the student will be able to:
  • Simulate discretized single and multi-variable systems.
  • Program controllers and estimators of single and multi-variable systems.
  • Experiment with the systems to be controlled and with their corresponding models.
  • Learn to experiment and use industrial controllers.

These approaches and goals are aligned with some of the Sustainable Development Goals, SDG, of the 2030 Agenda (https://www.un.org/sustainabledevelopment/) and certain specific goals, in such a way that the acquisition of the Learning outcomes of the subject provides training and competence to the student to contribute to a certain extent to their achievement:

  • Goal 7: Ensure access to affordable, reliable, sustainable and modern energy
    Target 7.3 By 2030, double the global rate of improvement in energy efficiency
  • Goal 9: Build resilient infrastructure, promote sustainable industrialization and foster innovation
    Target 9.4 By 2030, upgrade infrastructure and retrofit industries to make them sustainable, with increased resource-use efficiency and greater adoption of clean and environmentally sound technologies and industrial processes, with all countries taking action in accordance with their respective capabilities

1.2. Context and importance of this course in the degree

Control engineering is a subject from specific technologies branch.
In this context, the advanced concepts of control of continuous systems are presented, addressing theoretical, programming and implementation aspects as well as practical application.
The background of the students includes Mathematics, Physics, Electrical Engineering, Computer Science, and Automatic Systems. This subjects are requisites to understand the basic principles of the subject.

In this subject, the student learns how to analyze and design computer control systems managing continuous systems with techniques based on both external and internal representation.

At the end of the course the student is able to understand the advantages of systems control, its importance in industrial processes from the technical, economic and environmental point of view, as well as its analysis and design.

In the aforementioned Automatic Systems, students have learned to model simple discrete events systems and how to implement it using programmable logic controllers (PLCs).

However, the functioning of data networks, and of industrial networks in particular, is unknown.

In this subject, supervisory control and data acquisition systems (SCADA) and manufacturing control systems (MES) are introduced, as a bridge, from plant production systems, to business management systems (ERP type and similar).

1.3. Recommendations to take this course

In this course concepts and techniques of computer control of continuous systems are presented. Also, the discrete systems and two modeling formalisms for these are studied: deterministic finite automaton and Petri nets. At the end of the course, the student is able to model systems, analyze their behavior, design control schemes, and implement them using conventional language and commercial industrial controllers.

For pedagogical and content reasons it is advisable to have studied Mathematics I, II, III, Physics I, II, Electrical Engineering and Analysis of electrical circuits, Fundamentals of Electronics, Computing, Automatic Systems. The previous study of these subjects provides the student the basic tools to develop, analyze, simulate and control a real system.

2. Learning goals

2.1. Competences

The obtained competences and skills after completing the subject are:

Generic competences:

  1. Ability to solve problems and make decisions with initiative, creativity and critical reasoning (C4)
  2. Ability to apply information and communication technologies in Electrical Engineering (C5)
  3. Ability to use the techniques, skills and tools of electrical engineering necessary to practice it (C7)

Specific competences:

  1. Ability to know and understand the basic concepts about the use and programming of computers, operating systems, databases and computer programs with application in engineering (C14)
  2. Ability to understand the principles of automatic regulation and its application to industrial automation (C37).

2.2. Learning goals

To overcome the subject, the student must demonstrate the following outcomes:

  1. Design and implement the computer control of a system, selecting the most appropriate technique according to the control requirements and the context in which they arise.
  2. Applies systems identification techniques in order to extract mathematical models suitable for use in control.
  3. Simulates the behavior of dynamic systems using computer tools suitable for this purpose.
  4. Design a hierarchy of distributed control, resolving both the communication needs between the different elements of the control, as well as the computerized supervision of the whole.

2.3. Importance of learning goals

The knowledge that the student acquires in Control Engineering covers the advanced aspects of the control and automation of systems and processes. The control of industrial operations is carried out by industrial regulators, industrial computers, programmable logic controllers, specific controllers, robots ... The advanced understanding of the processes and the techniques of automatic control can bring great improvements in working conditions, in the environment, in the quality of the product and in the competitiveness. With this subject the student will be able to analyze and design complex control systems.

The learning outcomes of this subject give students the ability to analyze real industrial process control situations and enable them to propose schemes and calculate the appropriate control parameters for the operating requirements. These results, and the capacities and abilities derived from them, have a great importance in the industrial environment, where the control of processes and systems is a key and fundamental part for the development of the product, allowing to reduce costs, both economic and environmental, and increasing the final quality of the product.

3. Assessment (1st and 2nd call)

3.1. Assessment tasks (description of tasks, marking system and assessment criteria)

The student must demonstrate that he has achieved the expected learning outcomes through the following assessment activities

In accordance with the regulations of the University of Zaragoza, the evaluation of this subject is established as "Global rate".
Given the relevance of the practical skills in the subject, practical work will also be evaluated throughout the course. This evaluation includes previous studies, development of practical work, resolution of the questions and presentation.

In each call, the evaluation will comprise two parts:

  1. Individual written test (80%). Rated between 0 and 10 points (CT). It will be done during the exam period. In it the student will be evaluated from the set of learning outcomes from the theoretical point of view and problem solving.
  2. Evaluation of practical work (20%). Qualified between 0 and 10 points (CP), can be overcome throughout the course (gradual test). In any case, a specific individual test will be carried out during the evaluation period for students who have not passed it during the course. In it the student will be evaluated from the set of learning outcomes from the point of view of practical work.

To pass the subject is essential to obtain the two grades (CT and CP) greater than or equal to 4 points out of 10. Only in this case, the overall grade of the subject will be (0.20 * CP + 0.80 * CT). In another case, the overall rating will be the minimum between 4 and the result of applying the previous formula.

To overcome the subject an overall score of at least 5 points out of 10 is needed.

4. Methodology, learning tasks, syllabus and resources

4.1. Methodological overview

This course is divided into two main parts:

(1) Digital control of continuous systems and

(2) Modeling, analysis and design of discrete event systems. The teaching process will involve three main activities: lectures, problem resolution, and laboratory classes.

  • During the lectures, theoretical and methodological concepts will be presented by using practical examples.
  • During the problem resolution classes, different problems will be developed with the participation of students.
  • Practical sessions will be developed individually or in groups of two students, where students will put into practice the concepts of interest, implement control systems on real systems and simulate using the computers the evolution of systems.

4.2. Learning tasks

The course includes the following learning tasks:

1) Lecture classes (type T1) (30 hours).
Lecture sessions of theoretical and practical content. The concepts of digital control of continuous systems and modeling, analysis and control of discrete event systems are introduced by using real examples. Student participation through questions and brief discussions is encouraged.
 
2) Classes of problems and resolution of use cases (type T2) (15 hours).
Problems and case studies with student participation, coordinated at all times with the theoretical contents are developed. Students are encouraged to work on the problems previously.

3) Laboratory sessions (type T3) (15 hours).
The student performs simulation, design, and implements control systems on real systems. The sessions consist of a preliminary study and a practical realization. The preliminary study should be done prior to practice.

4) Study (type T7) (86 hours).
Student personal study of theoretical concepts and implementation problems. The ongoing work of the student is encouraged by the homogeneous distribution throughout the semester of the various learning activities. This includes tutorials, direct student care, identification of learning problems, guidance on the subject, attention to exercise and doubts.
 
5) Evaluation exams (T8) (4 hours).
In addition to the qualifying function, evaluation is also a learning tool with which the student checks the degree of understanding and assimilation reached.

4.3. Syllabus

The course will address the following topics:

● Topic 1: Introduction

● Topic 2: Digital control of continuous systems

    Discrete-time signals
    Z transform: definition, properties, tables
    Description of sampled systems
    Discretization of continuous systems
    Sampled Systems Analysis
    Design of digital controllers
    Practical aspects of implementation

● Topic 3: Discrete (event) systems

    Preliminary considerations and definition
    Formalisms to represent the DES and interest in engineering
    Deterministic Finite Automaton (DFA)
        Mealy and Moore models. Transformations and minimization
        Limitations of DFA
    Petri nets
        Concept, typical structures and modeling methodology
        Some properties, analysis and implementation techniques

Five laboratory sessions will be performed.

4.4. Course planning and calendar

All classes are scheduled by EINA and are available on its website (https://eina.unizar.es/).

Each teacher publishes its schedule of office hours.

The other activities are planned depending on the number of students and are available at http://add.unizar.es 

4.5. Bibliography and recommended resources

http://psfunizar10.unizar.es/br13/egAsignaturas.php?codigo=29624&Identificador=14507

 


Curso Académico: 2021/22

430 - Graduado en Ingeniería Eléctrica

29624 - Ingeniería de control


Información del Plan Docente

Año académico:
2021/22
Asignatura:
29624 - Ingeniería de control
Centro académico:
110 - Escuela de Ingeniería y Arquitectura
Titulación:
430 - Graduado en Ingeniería Eléctrica
Créditos:
6.0
Curso:
3
Periodo de impartición:
Primer semestre
Clase de asignatura:
Obligatoria
Materia:
---

1. Información Básica

1.1. Objetivos de la asignatura

La asignatura y sus resultados previstos responden a los siguientes planteamientos y objetivos:

Los objetivos de la asignatura son de dos tipos:

Teóricos: Se persigue que el alumno conozca y maneje con soltura contenidos teóricos que sustentan el control de sistemas usando el computador. Al finalizar la asignatura el alumno será capaz de:

  • Comprender el papel del computador como elemento de control.
  • Representar el comportamiento de sistemas y señales continuas en dominio discreto, así como la transformación entre uno y otro dominio.
  • Analizar y simular en el dominio discreto el comportamiento de sistemas de una o varias variables.
  • Diseñar e implementar algoritmos de control y estimación de variables.
  • Comprender la importancia de los sistemas de automatización y control distribuido.
  • Comprender las arquitecturas, buses y redes de comunicación industrial.

Prácticos: Se persigue que el alumno sepa desenvolverse con soltura en un entorno real de control, aplicando y analizando el alcance práctico de los contenidos teóricos aprendidos. Al finalizar la asignatura el alumno será capaz de:

  • Simular sistemas discretizados de una y varias variables.
  • Programar controladores y estimadores de sistemas de una y varias variables.
  • Experimentar con los sistemas a controlar y sus modelos.
  • Conocer experimentar y utilizar controladores industriales. 

Estos planteamientos y objetivos están alineados con algunos de los Objetivos de Desarrollo Sostenible, ODS, de la Agenda 2030 (https://www.un.org/sustainabledevelopment/es/) y determinadas metas concretas, de tal manera que la adquisición de los resultados de aprendizaje de la asignatura proporciona capacitación y competencia al estudiante para contribuir en cierta medida a su logro:

  • Objetivo 7: Garantizar el acceso a una energía asequible, segura, sostenible y moderna para todos.
    Meta 7.3 De aquí a 2030, duplicar la tasa mundial de mejora de la eficiencia energética.
  • Objetivo 9: Industria, innovación e infraestructuras.
    Meta 9.4 De aquí a 2030, modernizar la infraestructura y reconvertir las industrias para que sean sostenibles, utilizando los recursos con mayor eficacia y promoviendo la adopción de tecnologías y procesos industriales limpios y ambientalmente racionales, y logrando que todos los países tomen medidas de acuerdo con sus capacidades respectivas

1.2. Contexto y sentido de la asignatura en la titulación

Ingeniería de control es una asignatura de la rama de tecnologías específica. En este contexto se presentan los conceptos avanzados del control de sistemas continuos abordando aspectos teóricos, de implementación y de su implantación y aplicación práctica. Los alumnos han cursado en semestres anteriores asignaturas de Matemáticas, Física, Electrotecnia, Informática, y Sistemas Automáticos necesarias para comprender los principios básicos utilizados en la asignatura. El alumno aprende en la asignatura a analizar y diseñar sistemas de control por computador de sistemas continuos con técnicas basadas tanto en la representación externa como en la interna. Al finalizar la asignatura el alumno es capaz de comprender la transcendencia y ventajas del control de sistemas, su importancia en los procesos industriales desde el punto de vista técnico, económico y ambiental, así como de realizar su análisis y diseño. En la ya citada Sistemas automáticos los alumnos han aprendido a modelar sistemas de eventos discretos sencillos, y a implementar su control usando autómatas programables. Cuentan con la base para enfrentarse a problemas de automatización de la producción de mayor envergadura, que requieren control distribuido e intercambio de información. Sin embargo, desconocen el funcionamiento de las redes de datos, y de las redes industriales en particular. En esa asignatura se les introduce en los sistemas de supervisión y control (SCADA) y en los sistemas de control de manufactura (MES), como puente, desde los sistemas de producción en planta, hacia los sistemas de gestión empresarial (tipo ERP y similares).

1.3. Recomendaciones para cursar la asignatura

 

En esta asignatura se presentan conceptos y técnicas de control por computador de sistemas continuos. Asimismo, se estudian los sistemas discretos y dos formalismos de modelado para estos: autómatas finitos deterministas y redes de Petri. Al finalizar, el alumno es capaz de modelar sistemas, analizar su comportamiento, diseñar esquemas de control, e implementarlos usando un lenguaje convencional y con controladores industriales comerciales.

 

Por razones pedagógicas y de contenidos es recomendable haber cursado las materias Matemáticas I, II, III, Física I, II, Electrotecnia y Análisis de circuitos eléctricos, Fundamentos de Electrónica, Informática, Sistemas Automáticos. El estudio previo de estas materias proporciona al alumno las herramientas básicas necesarias para desarrollar, analizar, simular, controlar un sistema real y conseguir su funcionamiento automático.

 

El estudio y trabajo continuado, desde el primer día del curso, son fundamentales para superar con el máximo aprovechamiento la asignatura.  Es importante resolver cuanto antes las dudas que puedan surgir, para lo cual el estudiante cuenta con la asistencia del profesor, tanto durante las clases como en las horas de tutoría destinadas a ello.

2. Competencias y resultados de aprendizaje

2.1. Competencias

Al superar la asignatura, el estudiante será más competente para...

Competencias genéricas:

  1. Capacidad para resolver problemas y tomar decisiones con iniciativa, creatividad y razonamiento crítico (C4)
  2. Capacidad para aplicar las tecnologías de la información y las comunicaciones en la ingeniería Eléctrica (C5)
  3. Capacidad para usar las técnicas, habilidades y herramientas de la ingeniería Eléctrica necesarias para la práctica de la misma (C7)

 Competencias específicas:

  1. Capacidad para conocer y comprender los conceptos básicos sobre el uso y programación de los ordenadores, sistemas operativos, bases de datos y programas informáticos con aplicación en ingeniería (C14)
  2. Capacidad para comprender los principios de la regulación automática y su aplicación a la automatización industrial (C37).

2.2. Resultados de aprendizaje

El estudiante, para superar esta asignatura, deberá demostrar los siguientes resultados...

  1. Diseña e implementa el control por computador de un sistema, seleccionando la técnica más adecuada en función de los requisitos de control y del contexto en el que se plantean.
  2. Aplica técnicas de identificación de sistemas con el objeto de extraer modelos matemáticos adecuados para su uso en control.
  3. Simula el comportamiento de sistemas dinámicos utilizando herramientas informáticas adecuadas para tal fin.
  4. Diseña una jerarquía de control distribuido, resolviendo, tanto las necesidades de comunicación entre los diferentes elementos del control, como la supervisión informatizada del conjunto.

2.3. Importancia de los resultados de aprendizaje

Los conocimientos que el alumno adquiere en Ingeniería de control le sumergen en los aspectos avanzados del control y automatización de sistemas y procesos. Actualmente en los procesos se ha alcanzado a un alto grado de automatización. El control de las operaciones es realizado mediante reguladores industriales, computadores industriales, autómatas programables, controladores específicos, robots…La comprensión avanzada de los procesos y las técnicas para controlarlos de forma automática pueden aportar grandes mejoras en las condiciones de trabajo, en el medio ambiente, en la calidad del producto y en la competitividad del sector que se trate. Con esta asignatura el alumno será capaz de analizar y diseñar sistemas de control complejos, en los que intervienen diversas variables que interaccionan entre sí.

Los resultados de aprendizaje de esta asignatura dotan al alumno de capacidad de análisis de situaciones reales de control de procesos industriales y le capacitan para proponer esquemas y calcular los parámetros de control adecuados que permitan cumplir con unos requisitos de funcionamiento dados. Estos resultados, y las capacidades y habilidades de ellos derivadas, tienen una gran importancia en el entorno industrial, donde el control de procesos y sistemas es una pieza clave y fundamental para el desarrollo del producto, permitiendo reducir costes, tanto económicos como ambientales, y aumentar la calidad final del producto.

3. Evaluación

3.1. Tipo de pruebas y su valor sobre la nota final y criterios de evaluación para cada prueba

El estudiante deberá demostrar que ha alcanzado los resultados de aprendizaje previstos mediante las siguientes actividades de evaluacion

De acuerdo con la normativa de la Universidad de Zaragoza la evaluación de esta asignatura se establece como de “Tipo global”.

Dada la relevancia que en la asignatura tiene la adquisición de competencias prácticas, mediante el uso de entornos informáticos y en el laboratorio, a lo largo del curso irá siendo evaluado también el trabajo, en base al estudio previo, desarrollo del trabajo práctico, elaboración de una memoria y resolución de las cuestiones planteadas.

En cada convocatoria, la evaluación comprenderá dos partes:

  1. Prueba escrita individual (80%). Calificada entre 0 y 10 puntos (CT). Se realizará en periodo de exámenes. En ella se evaluará al alumno del conjunto de resultados de aprendizaje desde el punto de vista teórico y de resolución de problemas.
  2. Evaluación del trabajo práctico (20%). Calificada entre 0 y 10 puntos (CP), podrá superarse a lo largo del curso (Prueba gradual). En cualquier caso se realizará una prueba individual específica durante el periodo de evaluación para los alumnos que no la hayan superado durante el curso. En ella se evaluará al alumno del conjunto de resultados de aprendizaje desde el punto de vista del trabajo práctico.

Para la superación de la asignatura es condición imprescindible obtener las dos calificaciones (CT y CP) mayores o iguales que 4 puntos sobre 10. Sólo en ese caso, la calificación global de la asignatura será (0.20*CP+ 0.80*CT). En otro caso, la calificación global será la mínima entre 4 y el resultado de aplicar la fórmula anterior. La asignatura se supera con una calificación global de 5 puntos sobre 10.

4. Metodología, actividades de aprendizaje, programa y recursos

4.1. Presentación metodológica general

El proceso de aprendizaje que se ha diseñado para esta asignatura se basa en lo siguiente:

El proceso de enseñanza se desarrollará en tres niveles principales: clases de teoría, problemas y laboratorio. Se establecen mecanismos para analizar el seguimiento de la asignatura y su trabajo personal.

  • En las clases de teoría se expondrán los fundamentos y base teórica de la asignatura ilustrado con ejemplos prácticos. 
  • En las clases de problemas se desarrollarán problemas y casos tipo, con la participación de los estudiantes. 
  • Se desarrollarán prácticas individualmente o en grupos de dos alumnos, donde el estudiante pone en práctica los conceptos de interés, implementando en simulación y en sistemas reales los esquemas de control diseñados.
  • Asimismo, para motivar al estudiante se llevarán a cabo actividades de aprendizaje relacionadas con ejemplos de aplicación industrial con la tecnología actualmente disponible.

4.2. Actividades de aprendizaje

El programa que se ofrece al estudiante para ayudarle a lograr los resultados previstos comprende las siguientes actividades...

1) Clase magistral (tipo T1)  (30 horas de clase).

Sesiones de presentación magistral de contenidos teóricos y prácticos. Se presentan los conceptos y fundamentos del control por computador y su transcendencia ilustrándolos con ejemplos reales.  Se fomenta la participación del estudiante a través de preguntas y breves debates.

 

2) Clases de problemas y resolución de casos (tipo T2) (15 horas de clase).

Se desarrollan problemas y casos de estudio con la participación de los estudiantes, coordinados en todo momento con los contenidos teóricos.  Se fomenta que el estudiante trabaje previamente los problemas. 

 

 3) Clases prácticas (tipo T3) (15 horas de clase).

El estudiante realiza la simulación, puesta en marcha y análisis de sistemas de automatización y control reales. Dispone de un guión de la práctica, compuesto de estudio previo y apartados de realización práctica. El estudio previo debe realizarse previamente a la práctica.

 

 4) Estudio (tipo T7) (86 horas de trabajo propio). 

Estudio personal del estudiante de los conceptos teóricos y realización de problemas.  Se fomenta el trabajo continuo del estudiante mediante la distribución homogénea a lo largo del semestre de las diversas actividades de aprendizaje.  Se incluyen aquí las tutorías, como atención directa al estudiante, identificación de problemas de aprendizaje, orientación sobre la asignatura, atención a ejercicios y dudas.

 

 5) Pruebas de evaluación (tipo T8) (4 horas de clase).

Además de la función calificadora, la evaluación también es una herramienta de aprendizaje con la que el alumno comprueba el grado de comprensión y asimilación alcanzado.

4.3. Programa

Los contenidos que se desarrollan son los siguientes:

 

●     Tema 1: Introducción

 

●     Tema 2: Control por computador de sistemas continuos

  • Señales en tiempo discreto
  • Transformada Z: definición, propiedades, tablas
  • Descripción de sistemas muestreados
  • Discretización de sistemas continuos
  • Análisis de sistemas muestreados
  • Diseño de controladores digitales
  • Aspectos prácticos de la implementación programada

●    Tema 3: Sistemas (de eventos) discretos

  • Consideraciones previas y definición
  • Formalismos para representar los SED e interés en ingeniería
  • Autómatas de Estados Finitos Deterministas (AFD)
    • Modelos de Mealy y Moore. Transformaciones y minimización
    • Limitaciones de los AFD
  • Redes de Petri
    • Concepto, estructuras típicas y metodología de modelado
    • Algunas propiedades, técnicas de análisis e implementación

 Se realizarán cinco prácticas relacionadas con los temas de la asignatura. 

 

4.4. Planificación de las actividades de aprendizaje y calendario de fechas clave

Calendario de sesiones y presentación de trabajos

Las clases magistrales y de problemas y las sesiones de prácticas se imparten según horario establecido por el centro (horarios disponibles en su página web).

Cada profesor informa de su horario de atención de tutoría.

El resto de actividades se planifica en función del número de alumnos y se da a conocer con la suficiente antelación.  Puede consultarse en http://add.unizar.es

 

El calendario detallado de las diversas actividades a desarrollar se establecerá una vez que la Universidad y el Centro hayan aprobado el calendario académico (el cual podrá ser consultado en la página web del centro).

La relación y fecha de las diversas actividades, junto con todo tipo de información y documentación sobre la asignatura, se publicará en el Anillo Digital Docente (ADD) de la Universidad de Zaragoza.

A título orientativo:

  • Cada semana hay programadas 3h de clases en aula.
  • Aproximadamente cada dos semanas el estudiante realizará una práctica.
  • Las actividades adicionales que se programen (trabajos, pruebas, seminarios…) se anunciarán con suficiente antelación, tanto en clase como en el ADD.
  • Las fechas de los exámenes y pruebas de convocatoria oficial las fijará la dirección del Centro.

          

 

4.5. Bibliografía y recursos recomendados

http://psfunizar10.unizar.es/br13/egAsignaturas.php?codigo=29624&Identificador=14507