Ingeniería de control 1: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 12 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces

Estabilidad
todas las raíces del polinomio característico en el semiplano izquierdo
tabla de Routh, elemento s¹ de un polinomio cúbico
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Raíces del semiplano derecho
número de cambios de signo en la primera columna
Cúbico s³ + a₂s² + a₁s + a₀
estable cuando todos los a > 0 y a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Ecuación característica
1 + K·G(s) = 0
Asíntotas
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Puntos de salida y de entrada
dK/ds = 0
Condición de módulo
K = 1/|G(s)|
Ángulo de salida
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

Método

  1. Escribe el polinomio característico de lazo cerrado: el denominador de 1 + K·G(s) = 0, desarrollado.
  2. Coloca los coeficientes alternadamente en las dos primeras filas de la tabla de Routh y construye las filas restantes.
  3. Cuenta los cambios de signo de la primera columna: cada uno es un polo en el semiplano derecho. Con K en la tabla, exige que todos los elementos de la primera columna sigan siendo positivos.
  4. Para un lugar de las raíces, marca los polos y los ceros, los tramos del eje real, las asíntotas desde el centroide y los puntos de ruptura donde dK/ds = 0. Usa K = 1/|G(s)| para la ganancia en un punto.

Error en régimen permanente y control PID

Tipo de sistema
número de polos de G(s) en s = 0
Constantes de error
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Escalón A
ess = A/(1 + Kp)
Rampa A·t
ess = A/Kv
Parábola A·t²/2
ess = A/Ka
Controlador PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Objetivo de segundo orden
s² + 2ζωns + ωn²
Sobreimpulso y tiempos
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Método

  1. Cuenta los polos del lazo abierto C(s)·G(s) en s = 0: ese es el tipo del sistema.
  2. Calcula la constante de error que corresponde a la entrada: Kp para un escalón, Kv para una rampa, Ka para una parábola.
  3. Aplica ess = A/(1 + Kp), A/Kv o A/Ka, o despeja la ganancia que necesitas.
  4. Para una especificación de amortiguamiento o de velocidad, escribe el polinomio característico de lazo cerrado e identifícalo con s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Problemas de práctica

1.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm−55

Halla f(t) para F(s) = (5s + 38)/(s² + 8s + 52) completando el cuadrado, y evalúa f(0,4).

F(s) = (5s + 38)/(s² + 8s + 52)t = 0,4 s
f(0.4) =
2.Transformadas de LaplaceDifícil
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−4−4,50,51

Un sistema se describe con la ecuación diferencial y″ + 6y′ + 8y = 3u′ + 4u, con entrada u(t) y salida y(t). Halla su función de transferencia G(s) = Y(s)/U(s) (condiciones iniciales nulas) y evalúa la respuesta al impulso g(t) en t = 0,3 s. Halla g(0,3).

y″ + 6y′ + 8y = 3u′ + 4ut = 0,3 s
g(0.3) =
3.Diagramas de bloquesMedia
R(s)+8K+3s + 8G(s)C(s)2H₁−−

La planta G(s) = 3/(s + 8) tiene un lazo interno (menor) de realimentación negativa con ganancia H₁ = 2. Una ganancia de controlador K = 8 y un lazo externo de realimentación negativa unitaria cierran el sistema. Halla el polo en lazo cerrado p.

G(s) = 3/(s + 8)H₁ = 2K = 8
p =
4.Diagramas de bloquesDifícil
R(s)+2controlador+D(s)+10s + 3plantaC(s)−

Un controlador proporcional K = 2 gobierna la planta G(s) = 10/(s + 3) en un lazo de realimentación negativa unitaria. Una perturbación D entra a la entrada de la planta (se suma a la salida del controlador). Se aplican a la vez un escalón de referencia de tamaño 2 y un escalón de perturbación de tamaño 2. Halla la salida en régimen estacionario css.

K = 2G(s) = 10/(s + 3)D = 2R = 2
css =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)1ts​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 67/(s² + 4s + 67) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el tiempo de establecimiento al 2 % ts de la respuesta al escalón, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 67/(s² + 4s + 67)
ts = s
6.Respuesta al escalónDifícil
R(s)+Ks(s + 6)G(s)C(s)−

Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = K/(s(s + 6)). Halla la ganancia K que da una respuesta al escalón con un sobreimpulso del 5 %.

G(s) = K/(s(s + 6))%OS = 5 %
K =
7.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesMedia
R(s)+Ks + 6s(s + 1)(s + 3)C(s)−

Un lazo con realimentación unitaria tiene L(s) = K(s + 6)/(s(s + 1)(s + 3)), con K > 0. Halla la mayor ganancia Kmax para la que el lazo cerrado es estable.

L(s) = K(s + 6)/(s(s + 1)(s + 3))
Kmax =
8.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesDifícil
ReIm−2−4j2j4

Se ha esbozado el lugar de las raíces de L(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 4)). Halla la frecuencia ω a la que el lugar cruza el eje imaginario.

L(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 4))
ω = rad/s
9.Error en régimen permanente y control PIDMedia
r(t) = 10 + 3t+4(s + 4)s(s + 2)C(s)−

Se aplica la entrada r(t) = 10 + 3t (un escalón más una rampa) a un lazo con realimentación unitaria con G(s) = 4(s + 4)/(s(s + 2)). Halla el error en régimen permanente ess.

G(s) = 4(s + 4)/(s(s + 2))r(t) = 10 + 3t
ess =
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+2 + Kd​s2s(s + 2)C(s)−

Un controlador PD C(s) = 2 + Kd·s controla la planta G(s) = 2/(s(s + 2)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla la ganancia derivativa Kd que da al lazo cerrado un coeficiente de amortiguamiento ζ = 0,9.

G(s) = 2/(s(s + 2))Kp = 2ζ = 0,9
Kd = s
11.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​L = 10 mHC = 0,22 µFR = 100 Ωvout​

En el filtro paso banda RLC serie mostrado, la salida se toma en R = 100 Ω, con L = 10 mH y C = 0,22 µF. Halla el factor de calidad Q.

R = 100 ΩL = 10 mHC = 0,22 µF
Q =
12.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 220/(s(s + 3)(s + 10)). Halla el margen de ganancia GM en dB.

L(s) = 220/(s(s + 3)(s + 10))
GM = dB

3Disoluciones

1.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.4) = −0,3353

Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt convierte las derivadas en multiplicaciones por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares estándar: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), y un desplazamiento s → s + σ multiplica la función temporal por e−σt. Para invertir una F(s) racional, descomponla en fracciones parciales: el residuo de un polo simple p es A = [(s − p)·F(s)] en s = p. Teorema del valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido solo cuando todos los polos de s·F(s) están en el semiplano izquierdo. Teorema del valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Completar el cuadrado

s² + 8s + 52 = (s + 4)² + 36 = (s + 4)² + 6²

Igualar el numerador

F(s) = 5·(s + 4)/((s + 4)² + 6²) + (18/6)·6/((s + 4)² + 6²)

Transformada inversa

f(t) = e−4t·(5·cos 6t + 3·sin 6t)
f(0,4) = e−4·0,4·(5·cos(6·0,4) + 3·sin(6·0,4)) = −0,3353

Respuesta

f(0,4) = −0,3353
2.Transformadas de Laplace

Respuesta: g(0.3) = 0,656

Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt convierte las derivadas en multiplicaciones por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares estándar: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), y un desplazamiento s → s + σ multiplica la función temporal por e−σt. Para invertir una F(s) racional, descomponla en fracciones parciales: el residuo de un polo simple p es A = [(s − p)·F(s)] en s = p. Teorema del valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido solo cuando todos los polos de s·F(s) están en el semiplano izquierdo. Teorema del valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Función de transferencia

G(s) = Y(s)/U(s) = (3s + 4)/(s² + 6s + 8)

Fracciones parciales

s² + 6s + 8 = (s + 2)(s + 4)
A = −1, B = 4

Respuesta al impulso

g(t) = −e−2t + 4·e−4t
g(0,3) = 0,656

Respuesta

g(0,3) = 0,656
3.Diagramas de bloques

Respuesta: p = −38

Álgebra de diagramas de bloques: los bloques en serie se multiplican (G₁·G₂), los bloques en paralelo se suman (G₁ + G₂), y un lazo con camino directo G y camino de realimentación H se reduce a T = G/(1 + G·H) para realimentación negativa y G/(1 − G·H) para realimentación positiva. Reduce primero los lazos internos y avanza hacia fuera. Los polos en lazo cerrado son las raíces de la ecuación característica 1 + G(s)H(s) = 0. Para un lazo estable, una entrada escalón de tamaño A da la salida en régimen estacionario A·T(0); con realimentación unitaria el error en régimen estacionario ante un escalón es A/(1 + Kp) con Kp = G(0).

Lazo interno

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 3/(s + 8 + 3·2) = 3/(s + 14)

Lazo externo

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 24/(s + 14 + 24) = 24/(s + 38)

Resultado

p = −38

Respuesta

p = −38
4.Diagramas de bloques

Respuesta: css = 2,609

Álgebra de diagramas de bloques: los bloques en serie se multiplican (G₁·G₂), los bloques en paralelo se suman (G₁ + G₂), y un lazo con camino directo G y camino de realimentación H se reduce a T = G/(1 + G·H) para realimentación negativa y G/(1 − G·H) para realimentación positiva. Reduce primero los lazos internos y avanza hacia fuera. Los polos en lazo cerrado son las raíces de la ecuación característica 1 + G(s)H(s) = 0. Para un lazo estable, una entrada escalón de tamaño A da la salida en régimen estacionario A·T(0); con realimentación unitaria el error en régimen estacionario ante un escalón es A/(1 + Kp) con Kp = G(0).

Funciones de transferencia

C/D = G/(1 + K·G) = 10/(s + 3 + 20)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 20/(s + 3 + 20)

Estado estacionario

css = 2·20/23 + 2·10/23 = 2,609

Respuesta

css = 2,609

Una K mayor reduce el efecto de la perturbación, pero nunca la anula con un controlador proporcional.

5.Respuesta al escalón

Respuesta: ts = 2 s

Respuesta al escalón: un sistema de primer orden G(s) = K/(τs + 1) responde a un escalón de tamaño U con y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): alcanza el 63,2 % del valor final K·U después de una constante de tiempo τ y el 98 % después de 4τ. Un sistema de segundo orden G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tiene los polos s = −ζωₙ ± jωd con ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 la respuesta al escalón tiene sobreimpulso: sobreimpulso porcentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tiempo de pico tp = π/ωd y tiempo de establecimiento al 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compara el denominador con s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obtener ωₙ y ζ. Para un sistema masa–resorte–amortiguador ωₙ = √(k/m) y ζ = c/(2√(km)); para un circuito RLC serie ωₙ = 1/√(LC) y ζ = (R/2)·√(C/L).

Compara con la forma estándar

El denominador debe coincidir con s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 67 → ωₙ = 8,185 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·8,185) = 0,2443

Resultado

ζωₙ = 2 → ts ≈ 4/2 = 2 s

Respuesta

ts = 2 s
6.Respuesta al escalón

Respuesta: K = 18,9

Respuesta al escalón: un sistema de primer orden G(s) = K/(τs + 1) responde a un escalón de tamaño U con y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): alcanza el 63,2 % del valor final K·U después de una constante de tiempo τ y el 98 % después de 4τ. Un sistema de segundo orden G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tiene los polos s = −ζωₙ ± jωd con ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 la respuesta al escalón tiene sobreimpulso: sobreimpulso porcentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tiempo de pico tp = π/ωd y tiempo de establecimiento al 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compara el denominador con s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obtener ωₙ y ζ. Para un sistema masa–resorte–amortiguador ωₙ = √(k/m) y ζ = c/(2√(km)); para un circuito RLC serie ωₙ = 1/√(LC) y ζ = (R/2)·√(C/L).

Función de transferencia en lazo cerrado

T(s) = K/(s² + 6s + K)

Razón de amortiguamiento a partir del sobreimpulso

ζ = −ln(0,05)/√(π² + ln²(0,05)) = 0,6901

Ganancia

ωₙ = 6/(2ζ) = 4,347 rad/s
K = ωₙ² = 18,9

Respuesta

K = 18,9
7.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces

Respuesta: Kmax = 6

Criterio de Routh–Hurwitz: un sistema lineal es estable cuando todas las raíces de su polinomio característico están en el semiplano izquierdo del plano s. Escribe los coeficientes alternadamente en las dos primeras filas de la tabla de Routh. Cada elemento de una fila nueva sale de las dos filas de encima; para un polinomio cúbico a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ el elemento de s¹ es b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. El número de cambios de signo en la primera columna es igual al número de raíces en el semiplano derecho. Con una ganancia K en los coeficientes, todos los elementos de la primera columna deben seguir siendo positivos: la ganancia que anula el elemento de s¹ es el límite de estabilidad, y la fila de s² da entonces la frecuencia de la oscilación sostenida.

Polinomio característico

s(s + 1)(s + 3) + K(s + 6) = s³ + 4s² + (3 + K)s + 6K

Tabla de Routh

s³: 1, 3 + K
s²: 4, 6K
s¹: (4·(3 + K) − 6K)/4
s⁰: 6K

Condición

12 − 2K > 0
K < 12/2 = 6

Respuesta

Kmax = 6

Con el cero a la derecha de s = −4 el lazo seguiría siendo estable para todo K > 0.

8.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces

Respuesta: ω = 5,099 rad/s

Lugar de las raíces: cuando la ganancia K va de 0 a ∞, los polos de lazo cerrado, las raíces de 1 + K·G(s) = 0, se desplazan desde los polos de lazo abierto hasta los ceros de lazo abierto o hasta el infinito. Un punto del eje real pertenece al lugar cuando el número de polos y ceros reales situados a su derecha es impar. Las n − m ramas que van al infinito siguen asíntotas con los ángulos (2q + 1)·180°/(n − m), que parten del centroide σₐ = (Σ polos − Σ ceros)/(n − m). Las ramas salen del eje real o se unen a él donde dK/ds = 0. La condición de ángulo ∠G(s) = 180° fija la forma, y la condición de módulo K = 1/|G(s)| da la ganancia en cualquier punto del lugar.

Ganancia crítica

s³ + 9s² + 26s + 24 + K = 0
s¹: (9·26 − 24 − K)/9 = 0 → K = 210

Frecuencia de cruce

9s² + 24 + 210 = 9s² + 234 = 0 → s² = −26
ω = √26 = 5,099 rad/s

Respuesta

ω = 5,099 rad/s
9.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ess = 0,375

Error en régimen permanente: en un lazo con realimentación unitaria y función de transferencia de lazo abierto G(s) el error es E(s) = R(s)/(1 + G(s)), y por el teorema del valor final ess = lims→0 s·E(s). El tipo del sistema es el número de polos de G(s) en s = 0. Las constantes de error son Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) y Ka = lim s²·G(s), todas para s → 0. Un escalón de tamaño A da ess = A/(1 + Kp), una rampa A·t da A/Kv y una parábola A·t²/2 da A/Ka. Un lazo de tipo 0 sigue un escalón con un error finito, un lazo de tipo 1 lo sigue exactamente y sigue una rampa con un error finito.

Constante de velocidad

Kv = lim s·G(s) = 8

Parte de escalón

Kp = ∞ → estep = 0

Error ante rampa

ess = 3/8 = 0,375

Respuesta

ess = 0,375
10.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: Kd = 0,8 s

Control P, PI y PID: el controlador C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s actúa sobre el error. Una ganancia proporcional hace el lazo más rápido y reduce el error de una planta de tipo 0, pero nunca lo elimina. El término integral añade un polo en s = 0: el tipo del sistema sube una unidad y un escalón se sigue sin error. El término derivativo añade amortiguamiento. Para elegir las ganancias, escribe el polinomio característico de lazo cerrado y compáralo con s² + 2ζωns + ωn². Entonces %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd con ωd = ωn√(1 − ζ²), y ts ≈ 4/(ζωn).

Polinomio característico

s(s + 2) + 2(2 + Kds) = s² + (2 + 2Kd)s + 4

Frecuencia natural

ωₙ = √4 = 2 rad/s

Ganancia derivativa

2 + 2Kd = 2·0,9·2 = 3,6
Kd = 0,8 s

Respuesta

Kd = 0,8 s

El término derivativo añade amortiguamiento sin cambiar ωₙ.

11.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: Q = 2,132

Respuesta en frecuencia: sustituye s = jω en la función de transferencia. El módulo en decibelios es 20·log₁₀|H(jω)| y la fase es la suma de los ángulos de los factores del numerador menos los del denominador. Un filtro RC o RL de primer orden tiene su frecuencia de corte (−3 dB) en ωc = 1/(RC) o R/L, y fc = ωc/(2π); un filtro paso bajo da |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) y φ = −atan(ω/ωc). En el diagrama de Bode asintótico (de rectas) cada polo hace bajar el módulo 20 dB/década en su frecuencia de esquina, cada cero lo hace subir 20 dB/década, y un integrador 1/s da −20 dB/década en todas las frecuencias. Cruce de ganancia ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margen de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruce de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margen de ganancia MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. El lazo cerrado es estable cuando ambos márgenes son positivos.

Frecuencia de resonancia

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·2,2 × 10⁻⁷) = 21320 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 3393 Hz

Factor de calidad

BW = R/L = 100/0,01 = 10000 rad/s = 1592 Hz
Q = ω₀/BW = 21320/10000 = 2,132

Respuesta

Q = 2,132
12.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: GM = 4,973 dB

Respuesta en frecuencia: sustituye s = jω en la función de transferencia. El módulo en decibelios es 20·log₁₀|H(jω)| y la fase es la suma de los ángulos de los factores del numerador menos los del denominador. Un filtro RC o RL de primer orden tiene su frecuencia de corte (−3 dB) en ωc = 1/(RC) o R/L, y fc = ωc/(2π); un filtro paso bajo da |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) y φ = −atan(ω/ωc). En el diagrama de Bode asintótico (de rectas) cada polo hace bajar el módulo 20 dB/década en su frecuencia de esquina, cada cero lo hace subir 20 dB/década, y un integrador 1/s da −20 dB/década en todas las frecuencias. Cruce de ganancia ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margen de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruce de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margen de ganancia MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. El lazo cerrado es estable cuando ambos márgenes son positivos.

Cruce de fase

(ω/3)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(3·10) = 5,477 rad/s

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 100)) = K/(3·10·(3 + 10)) = K/390

Margen de ganancia

GM = 20·log₁₀(390/220) = 4,973 dB

Respuesta

GM = 4,973 dB

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