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UNIVERSIDAD DON BOSCO
FACULTAD DE ESTUDIOS TECNOLÓGICOS
ESCUELA DE ELECTRÓNICA
CICLO: 01-2015
GUIA DE LABORATORIO # 7
Nombre de la Práctica: Controlador ON OFF
Lugar de Ejecución:
Instrumentación y Control (Ed.3, 2a planta).
Tiempo Estimado:
2 horas y 30 min.
Materia:
Instrumentación y Control Analógico.
Docentes:
William Argueta/José Díaz/ Tania Martínez.
I. OBJETIVOS

Identificar las características de los controladores ON-OFF o de dos posiciones en los
sistemas de control automático.
Describir el efecto de la histéresis del regulador.

Medir y calcular la amplitud y el período de tiempo de las oscilaciones.

II. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
La salida del controlador ON-OFF, o de dos posiciones, solo puede cambiar entre dos valores
al igual que dos estados de un interruptor. El controlador no tiene la capacidad para producir
un valor exacto en la variable controlada para un valor de referencia dado pues el controlador
produce una continua desviación del valor de referencia.
La acción del controlador de dos posiciones tiene un simple mecanismo de construcción, por
esa razón este tipo de controladores es de los de más amplio uso, y comúnmente utilizados en
sistemas de regulación de temperatura.
Los controladores mecánicos de dos posiciones normalmente poseen algo de histéresis, por el
contrario los controladores electrónicos usualmente funcionan sin histéresis.
La histéresis está definida como la diferencia entre los tiempos de apagado y encendido del
controlador.
El usar un controlador de acción de dos posiciones da como resultado una oscilación de la
variable controlada, x.
Para determinar la regulación del controlador, son importantes los parámetros amplitud y
período de tiempo de la oscilación. La oscilación depende de muchos factores, el período de
tiempo está en función del tiempo muerto del sistema y la posible histéresis del controlador.
La histéresis también está directamente influenciada por la amplitud de la oscilación la cual
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es adicionalmente dependiente de los valores del factor de histéresis Kis y la magnitud del
escalón en la variable de entrada.
Figura 7.1 Planta integral con controlador ON-OFF sin histéresis.
TU = Tiempo muerto del sistema
w = Valor de referencia
T = Período de la oscilación
xm = Ancho de sobreimpulso de la oscilación
La Figura 7.1 muestra las características dinámicas de un sistema de regulación, usando un
controlador de dos posiciones en una planta integral sin compensación como un resultado del
tiempo de retardo en la planta y con histéresis igual a cero, la oscilación se produce con un
período de tiempo de:
T = 4Tu
Ecuación 7.1
La amplitud de oscilación está principalmente determinada por los valores característicos del
factor de histéresis (Kis) y la magnitud de cambio de la variable de entrada, Δy:
Ecuación 7.2
Donde:
Ecuación 7.3
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Figura 7.2 Planta integral con controlador ON-OFF con histéresis xd.
Si el controlador de dos posiciones posee histéresis, entonces la amplitud y período de las
oscilaciones están definidos por:
T 4Tu  4t1 Ecuación 7.4
y relacionando otras variables:
Ecuación 7.5
Donde xd es la banda de histéresis del controlador.
La variable xd debe ser sumada a la amplitud de la oscilación, y está dada por:
Ecuación 7.6
Las fórmulas dadas solo son válidas para plantas que poseen idénticos tiempos de caída y
subida de la variable controlada.
Para un sistema de orden superior con un controlador de dos posiciones y considerando una
histéresis de cero, se puede aproximar la respuesta con las siguientes ecuaciones:
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Figura 7.3 Sistema de orden superior con controlador ON-OFF sin histéresis.
El periodo de la oscilación será:
T = 4Tu Ecuación 7.1
Al mismo tiempo XM está dado por:
X M  xh
Tu
Tg
Ecuación 7.7
Donde xh es el máximo valor que toma la salida, en los módulos del laboratorio es 10V.
Sin embargo los sistemas de primer orden presentan un crecimiento exponencial, por lo que
se presenta el siguiente método de cálculo para la amplitud:
XM 
xh
(1  e  Tu / Tg ) Ecuación 7.8
2
Si el controlador tiene histéresis, la amplitud de la oscilación será:
Ecuación 7.9
Las plantas usadas en este ejercicio presentan una desviación de las consideraciones teóricas.
En la teoría se asume que la respuesta al escalón en ambas direcciones es la misma, pero en
las plantas usadas aquí se presentan grandes diferencias.
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Instrumentación y Control Analógico.
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III. MATERIALES Y EQUIPO
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1 Fuente de alimentación +/-15 VDC [SO3538-8D].
1 Referencia de voltaje [SO3536-5A].
1 Amplificador de potencia [SO356-7Q].
1 Sistema controlado de temperatura [SO3536-8T] .
1 Módulo con bomba [SO3536-9H].
1 Sistema de control de nivel [SO3536-9K] .
1 Voltímetro de bobina móvil [SO5127-1H].
1 Par de puntas para el voltímetro.
1 Indicador de temperatura [SO5127-1V].
1 Convertidor de presión a voltaje [SO3535-7U].
20 Puentes.
1 Switch.
1 Computadora con Run Intuilink Data Capture instalado.
1 Osciloscopio digital [DSO1052B].
2 Puntas para el osciloscopio.
1 Cable USB tipo A/B.
1 Control ON-OFF [SO3536-5R].
1 División para tiempo muerto.
7 Cables de conexión Lucas Nülle.
IV. PROCEDIMIENTO
Nota: Lea la guía de laboratorio antes de realizar los procedimientos. Esto le ayudará a
clarificar el objetivo perseguido, así como le ahorrará tiempo al ejecutar la práctica, todos los
grupos iniciarán con la Parte I, luego según el sistema asignado seguirán con la Parte II y
Parte III y otros con la parte IV , al finalizar se intercambian.
PARTE I. GUÍA BÁSICA PARA EL USO DEL OSCILOSCOPIO 1052B
1. Conecte el osciloscopio a un toma de 110 VAC y enciéndalo presionando la tecla
correspondiente ubicada en la parte superior.
Figura 7.4. Encendido del osciloscopio.
2. Conecte una de las puntas al canal 1 del osciloscopio para ver la señal de prueba
Probe comp (ubicada en la esquina inferior derecha del osciloscopio, ver Figura 7.8).
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3. Presione en el osciloscopio la tecla Default Setup (Figura 7.7) para que se coloquen
los ajustes que trae por defecto el osciloscopio.
4. Presione la tecla selección de canal 1 (Ver Figura 7.5), la tecla se enciende y en la
pantalla debe mostrarse el menú para las opciones del canal CH1, tales como Acople,
límite de banda, sonda, etc. Si se requiere cambiar alguno de estos parámetros
ubíquese en la tecla programable (ver Figura 7.6) que esté junto al parámetro a
cambiar. Por ejemplo para cambiar el acople del osciloscopio presione la tecla que
está a la par de la opción, aparecerá un submenú, luego con la perilla de selección
(ver Figura 7.7) verá que puede desplazarse entre las opciones CC, CA y GND, en
este caso elija CC (corriente continua), presione la misma perilla para seleccionarla y
para apagar el menú presione la tecla correspondiente Menu On/Off.
5. En pantalla debe mostrarse la señal de Probe Comp según tenga por defecto el
osciloscopio la referencia y las escalas de voltaje y tiempo, pero para obtener una
mejor visualización de la misma, presione la tecla de Auto Scale (ver Figura 7.7)
para que el osciloscopio seleccione la referencia y las escalas de voltaje y tiempo en
las que se verá mejor la señal medida, deberá ver la señal que se muestra en la Figura
7.6.
Figura 7.5. Control de los canales.
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Figura 7.6. Opciones canal 1 y señal de prueba.
Figura 7.7. ubicación de la perilla de selección y de escala horizontal, tecla de
autoescala y control de ejecución.
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Figura 7.8 Teclas de Menú y señal de prueba.
6. Presione de nuevo la tecla Menu On/Off para apagar el menú que se desplegó.
7. En pantalla aparece el valor tanto de la escala de voltaje como de tiempo que
seleccionó el osciloscopio (ver Figura 7.6), si desean cambiarse puede hacerlo con las
perillas de escala vertical (ver Figura 7.5) y/o horizontal (ver Figura 7.7).
8. Cambie el acople del canal 1 a GND para verificar donde está la referencia de la señal,
comprobará que fue colocada en la penúltima linea horizontal de la pantalla. Regrese
el acople a CC.
9. Presione la tecla de menú Cursors (ver Figura 7.8), se desplegará un menú, en Modo
cámbielo a Manual, se desplegarán nuevas opciones, en la opción Tipo elija
Amplitud, en fuente CH1 y que este activado solamente el cursor A (marcado en
celeste el símbolo de selección
), apague el menú con la tecla Menú On/Off y con
la perilla de selección mueva el cursor al tope de la señal para saber su valor pico a
pico, el cursor A, denominado como CurA deberá indicar un valor de 3.00V, si lo
coloca en la parte inferior de la señal vera que muestra el valor de 0.00V.
10. La tecla Run/Stop sirve para detener la adquisición de datos del osciloscopio y
capturar en pantalla la última señal adquirida para analizarla, presione esta tecla,
observará que se torna de color rojo y que en pantalla se muestra la última señal
adquirida, presione de nuevo la tecla para que el osciloscopio siga adquiriendo datos,
la tecla vuelve a amarillo y se muestra en pantalla las señales que se adquieren en ese
momento.
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Instrumentación y Control Analógico.
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11. Si desea ver también la señal del canal 2 presione la tecla para seleccionar ese canal,
deberá mostrarse en pantalla una señal de color verde, si quiere dejar de ver algún
canal, desactívelo presionando la tecla correspondiente del canal dos veces, la tecla se
apagará y la señal ya no se mostrará.
12. Si se desea almacenar o ver la señal del osciloscopio en la computadora conéctela por
medio de un cable USB tipo A/B al puerto USB que posee el osciloscopio en la parte
posterior (Ver Figura 7.9).
Figura 7.9. Puerto USB del osciloscopio para conectarse con la computadora.
13. Si está usando una máquina virtual asegúrese que esta ha reconocido el dispositivo
USB antes de continuar.
14. En la computadora de clic derecho en el icono de Agilent IO Control que está en la
esquina inferior derecha de la barra de tareas y seleccione la opción Agilent
Connection Expert, se abrirá la respectiva ventana.
Figura 7.10. Icono Agilent IO Control.
15. En la parte central de esa ventana (Ver Figura 7.11) se muestran los instrumentos
Agilent que están o han estado conectados a la computadora, los conectados aparecen
marcados con un cheque y los que no con una cruz, debe aparecer activo el
osciloscopio que hemos conectado sino revise la conexión y de clic en la tecla
Refresh All.
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Figura 7.11. Instrumentos Agilent conectados a la computadora.
16. Cierre la ventana y abra el programa Run intuilink Data Capture, que está en
Inicio, Todos los programas, Agilent Intuilink, Data Capture.
17. Se abrirá la ventana del programa, ahí seleccione del menú Instruments la opción
Agilent 1000 series.
18. Si le aparece la ventana de la Figura 7.12 continúe con el paso 19 y si es la de la
Figura 7.14, simplemente presione OK en la ventana y continúe con el paso 20.
Figura 7.12. Ventanas Agilent 1000 Series Add-In y Find Instruments.
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Instrumentación y Control Analógico.
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19. De clic en el botón Find Instrument, el programa deberá encontrar el osciloscopio y
mostrará su dirección, de clic en el botón identify instrument(s) y luego presione
OK en ambas ventanas.
20. El osciloscopio hará la primera captura, se mostrará una ventana con la imagen de la
pantalla del osciloscopio y otra que contiene la señal. La adquisición de la señal la
hace con los parámetros que estaban seteados.
Figura 7.13. Primeras capturas del Intuilink.
NOTA: Una vez el osciloscopio ha sido reconocido por Intuilink este ya no responde
si se le quiere cambiar una opción mediante las teclas o perillas, para realizar un
cambio en el mismo deberá desconectarlo de la PC, cambiar lo que se desea y
realizar otra vez el proceso de conexión con Intuilink.
21. Para cambiar los parámetros para la captura, seleccione del Menú Instruments la
opción DSO1052B, para cambiar por ejemplo el número de puntos adquiridos de la
gráfica, En la pestaña Get Waveform Data, cambie el número de puntos y de clic en
OK para hacer otra captura.
Figura 7.14. Pestaña Get Waveform Data.
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Instrumentación y Control Analógico.
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22. Para guardar las señales, ubíquese en la señal deseada, chequee la opción Include Xaxis data on save y luego en el menú “File”, seleccione “Save As”, se guardará un
archivo .txt que contiene los puntos “x” y “y” de la gráfica. Para guardar la imagen de
la misma forma de clic sobre ella y elija guardar como, esta se guardara en formato
.png.
23. Desconecte por el momento el osciloscopio de la computadora y apáguelo.
24. Si tiene asignado el sistema hidráulico continúe con la parte II, si es el sistema térmico
prosiga con la parte IV.
PARTE II. SISTEMA HIDRÁULICO DE PRIMER ORDEN
1. Arme el sistema a lazo cerrado que se muestra en la Figura 7.15, verifique que no
exista ninguna división dentro del tanque.
Figura 7.15 Sistema hidráulico con regulador ON-OFF.
2. Ajuste el equipo con los siguientes parámetros:
Tanque:
• Válvula de salida: Abierta en el mínimo. (Girar la perilla en el sentido de
las agujas del reloj y deje al frente el primer punto verde que sigue al rojo).
• Válvula de entrada: Abierta por arriba. (Punto verde arriba y rojo abajo)
Controlador ON-OFF:
• Xu: 0V.
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Instrumentación y Control Analógico.
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Voltaje de Referencia:
• %W: 60%
3. Conecte el canal 1 del osciloscopio a la salida del módulo “Amplificador de potencia”
(indicado como YS en el módulo) y el canal 2 en la salida del transductor
presión/voltaje (punto etiquetado como “C” en la Figura 7.15). No olvide conectar el
terminal de tierra de una de las puntas a 0V en el sistema.
4. Pida al docente de laboratorio que revise las conexiones.
5. Encienda únicamente el osciloscopio y presione la tecla Default Setup para que se
coloquen los ajustes que trae por defecto.
6. Seleccione ambos canales, ajuste cada uno para que su referencia esté en la penúltima
linea horizontal de la pantalla del osciloscopio, una vez colocado esto, no olvide dejar
los canales con acople CC.
7. Coloque las escalas de voltaje de ambos canales en 2.00V/ con las correspondientes
perillas de escala vertical de cada uno y la escala de tiempo en 20.00s/ con la
perilla de escala horizontal.
8. Con la perilla Ajuste a cero horizontal coloque el inicio de la graficación que tiene
este símbolo
en la primera línea vertical de la pantalla del osciloscopio.
9. En las teclas de menú, ver Figura 7.8, seleccione Display, luego en el menú que se
despliega en pantalla seleccione la opción Persistenc y con la tecla programable
correspondiente elija la opción Infinito.
10. Siempre en el menú de Display seleccione la opción Limpiar, 20 s después de
realizado esto iniciará la graficación, puede observar que ambas señales están en cero
voltios.
11. Encienda el sistema.
12. Antes de iniciar la graficación calibre el cero del transductor de presión/voltaje.
13. Abra el SWITCH 1, limpie de nuevo la pantalla como lo hizo en el paso 10, y esta vez
cuando las señales pasen por la segunda o tercera linea vertical de la pantalla del
osciloscopio, cierre el SWITCH 1 para obtener la gráfica de la respuesta temporal de
la variable controlada para el valor de referencia indicado.
14. Cuando tenga dos o tres oscilaciones en pantalla, presione dos veces la tecla
Run/Stop para detener la graficación.
15. Conecte el osciloscopio a la computadora y capture la imagen actual de la pantalla del
osciloscopio y guárdela.
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16. Encuentre el periodo y la amplitud de la oscilación de la variable controlada.
T = _______________, XM = _________________.
¿Coinciden los valores teóricos con los medidos? Explique.
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17. Abra el SWITCH 1 para que se vacíe el tanque, ajuste el controlador de 2 posiciones
con un Xu de 1V, desconecte el osciloscopio de la PC, limpie la pantalla y grafique de
nuevo la respuesta temporal y guárdela en la PC.
18. Para esta condición en el controlador encuentre la amplitud y período de oscilación
teórica y práctica.
T (teórica)= _______________,
XM (teórica)= _________________.
T (práctica)= _______________,
XM (práctica)= _________________.
19. ¿Qué puede decir que le ocurre a la variable controlada al incrementar la histéresis?
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PARTE III. CONTROL DE DOS POSICIONES PARA SISTEMAS HIDRÁULICOS
CON TIEMPO MUERTO.
20. Arme el sistema hidráulico de la Figura 7.15 pero introduzca en la ranura del tanque la
división para añadir tiempo muerto al sistema.
Esta división tiene la forma que se presenta en la siguiente figura:
Figura 7.16 Vista de planta de la división de tiempo muerto.
Al poner esta división se considera que no afecta en una medida apreciable el orden del
sistema por el tamaño del agujero que tiene la manguera. Se considera que aumenta el tiempo
muerto porque la parte del tanque que posee el sensor comenzará a cambiar de nivel hasta que
se haya alcanzado en la otra parte un cierto nivel delimitado por la manguera, esto introducirá
un retraso de cierto tiempo en la respuesta del sistema desde que se aplicó el escalón de
entrada. La división debe tener la manguera en la parte inferior del tanque.
21. Repita todos los pasos de la Parte II y compare resultados para ambos casos.
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Con histéresis cero:
T (teórica)= _______________,
T (práctica)= _______________,
XM (teórica)= _________________.
XM (práctica)= _________________.
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Con histéresis Xu = 1V y W=60%.
T (teórica)= _______________,
T (práctica)= _______________,
XM (teórica)= _________________.
XM (práctica)= _________________.
22. Reduzca todas las perillas del voltaje de referencia y del controlador ON-OFF al
mínimo, apague la alimentación en todos los equipos utilizados, desconéctelos y
guarde los puentes y cables en su lugar.
PARTE IV. SISTEMA DE CONTROL DE DOS POSICIONES EN UN SISTEMA
TÉRMICO.
23. Arme el sistema en lazo abierto que se muestra en la Figura 7.17 y ajuste el equipo de
la siguiente manera:
Figura 7.17 Sistema térmico con regulador ON-OFF.
Controlador ON-OFF:
• Xu: 0V.
Voltaje de Referencia:
• %W: 100%
24. Conecte el canal 1 del osciloscopio a la salida del módulo “Amplificador de potencia”
(indicado como YS en el módulo) y el canal 2 en la salida del transductor
temperatura/voltaje (punto etiquetado como “A” en la Figura 7.17). No olvide
conectar el terminal de tierra de una de las puntas a 0V en el sistema.
25. Pida al docente de laboratorio que revise las conexiones.
26. Abra tanto el SWITCH 1 como el interruptor que cortocircuita la resistencia en el
sistema de control de temperatura.
27. Encienda únicamente el osciloscopio y presione la tecla Default Setup para que se
coloquen los ajustes que trae por defecto.
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Instrumentación y Control Analógico.
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28. Seleccione ambos canales, ajuste cada uno para que su referencia esté en la penúltima
linea horizontal de la pantalla del osciloscopio, una vez colocado esto, no olvide dejar
los canales con acople CC.
29. Coloque las escalas de voltaje de ambos canales en 2.00V/ con las correspondientes
perillas de escala vertical de cada uno y la escala de tiempo en 20.00s/ con la
perilla de escala horizontal.
30. Con la perilla Ajuste a cero horizontal coloque el inicio de la graficación que tiene
este símbolo
en la primera línea vertical de la pantalla del osciloscopio.
31. En las teclas de menú, ver Figura 7.8, seleccione Display, luego en el menú que se
despliega en pantalla seleccione la opción Persistenc y con la tecla programable
correspondiente elija la opción Infinito.
32. Siempre en el menú de Display seleccione la opción Limpiar, 20 s después de
realizado esto iniciará la graficación, puede observar que ambas señales están en cero
voltios.
33. Encienda la fuente de alimentación, limpie de nuevo la pantalla como lo hizo en el
paso 32, y esta vez cuando las señales pasen por la segunda o tercera linea vertical de
la pantalla del osciloscopio, cierre el SWITCH 1 para obtener la gráfica de la
respuesta temporal de la variable controlada para el valor de referencia indicado.
34. Cuando tenga dos o tres oscilaciones en pantalla, presione dos veces la tecla
Run/Stop para detener la graficación.
35. Conecte el osciloscopio a la computadora y capture la imagen actual de la pantalla del
osciloscopio y guárdela.
36. Abra el SWITCH 1, apague el sistema, cierre el lazo de control y ajuste W al 80%
37. Desconecte el osciloscopio de la PC, limpie la pantalla y grafique la respuesta
temporal para este valor de referencia y guárdela en la PC.
38. Para un estado de oscilación constante establezca el periodo y la amplitud de la
variable controlada teórica y prácticamente.
T (teórica)= _______________,
XM (teórica)= _________________.
T (práctica)= _______________,
XM (práctica)= _________________.
39. Ajuste la histéresis del controlador de dos posiciones a Xu= 0.5V y grafique la
respuesta en el tiempo de la variable controlada.
40. Repita el paso 38.
T (teórica)= _______________,
T (práctica)= _______________,
XM (teórica)= _________________.
XM (práctica)= _________________.
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41. Compare los resultados obtenidos en los numerales 38 y 40:
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42. Reduzca todas las perillas del voltaje de referencia y del controlador ON-OFF al
mínimo, apague la alimentación en todos los equipos utilizados, desconéctelos y
guarde los puentes y cables en su lugar.
V. ANALISIS DE RESULTADOS
1. Enuncie y explique cuatro características de los controladores de dos posiciones.
2. ¿Cree conveniente ajustar una banda de histéresis grande para procesos que no aceptan
desviaciones del punto de referencia excesivas? Explique.
3. Encuentre el porcentaje de error entre los valores teóricos y prácticos de amplitud y
período de oscilación.
4. Presente las respuestas a las preguntas que se le hicieron en el procedimiento.
VI. INVESTIGACIÓN COMPLEMENTARIA
•
Investigue sobre los controladores ON-OFF mecánicos comunes en la industria.
VII. BIBLIOGRAFÍA
•
INGENIERÍA DE CONTROL MODERNA. Tercera Edición. Prentice Hall. Katsuhiko Ogata,
Biblioteca UDB, Clasificación: Libro interno 629.8 O34 1998
•
SISTEMAS DE CONTROL AUTOMÁTICO. Séptima Edición. Prentice Hall. Benjamín
Kuo, Biblioteca UDB, Clasificación: 621.3811 K95 1996
•
SISTEMAS DE CONTROL LINEAL. Primera Edición en Español. McGraw Hill. Charles
Rohrs, Biblioteca UDB, Clasificación: Libro 621.3811 R739 1994
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