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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
Escribe el polinomio característico de lazo cerrado: el denominador de 1 + K·G(s) = 0, desarrollado.
Coloca los coeficientes alternadamente en las dos primeras filas de la tabla de Routh y construye las filas restantes.
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.
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
Cuenta los polos del lazo abierto C(s)·G(s) en s = 0: ese es el tipo del sistema.
Calcula la constante de error que corresponde a la entrada: Kp para un escalón, Kv para una rampa, Ka para una parábola.
Aplica ess = A/(1 + Kp), A/Kv o A/Ka, o despeja la ganancia que necesitas.
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.Respuesta al escalónMedia
Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 106/(s² + 9s + 53) y recibe una entrada escalón unitario. Los polos son s = σ ± jωd. Halla la parte real σ.
G(s) = 106/(s² + 9s + 53)
σ =
2.Respuesta al escalónDifícil
Un circuito RLC serie con R = 124 Ω, L = 50 mH y C = 4,7 µF se conecta a un escalón de 10 V en t = 0. El condensador está descargado y no circula corriente antes del escalón. Halla el instante tp del primer pico de tensión, en ms.
R = 124 ΩL = 50 mHC = 4,7 µFV = 10 V
tp = ms
3.Diagramas de Bode y márgenesMedia
El filtro paso alto RC mostrado tiene R = 4,7 kΩ, C = 2,2 nF. Se aplica una entrada sinusoidal de 3,8 kHz. Halla la ganancia |H| = |vout/vin| en dB.
R = 4,7 kΩC = 2,2 nFf = 3,8 kHz
|H| = dB
4.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 48/(s(s + 3)(s + 5)). Halla la frecuencia de cruce de fase ω180, donde ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 48/(s(s + 3)(s + 5))
ω180 = rad/s
5.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesMedia
El lazo del diagrama funciona con K = 4,8 y L(s) = K/(s(s + 2)(s + 4)). ¿Por qué factor m se puede aumentar la ganancia antes de que el lazo cerrado se vuelva inestable?
L(s) = K/(s(s + 2)(s + 4))K = 4,8
m =
6.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesDifícil
Se ha esbozado el lugar de las raíces de L(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 6)). Halla la frecuencia ω a la que el lugar cruza el eje imaginario.
L(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 6))
ω = rad/s
7.Error en régimen permanente y control PIDMedia
Un lazo con realimentación unitaria con G(s) = K/(s(s + 1)) debe seguir la rampa r(t) = 1t con un error en régimen permanente de 0,01. Halla la ganancia K.
G(s) = K/(s(s + 1))r(t) = 1tess = 0,01
K =
8.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
Un controlador PD C(s) = 20 + Kd·s controla la planta G(s) = 10/(s(s + 1)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla la ganancia derivativa Kd que da al lazo cerrado un coeficiente de amortiguamiento ζ = 0,5.
G(s) = 10/(s(s + 1))Kp = 20ζ = 0,5
Kd = s
9.Diagramas de bloquesMedia
La planta G(s) = 3/(s + 8) tiene un lazo interno (menor) de realimentación negativa con ganancia H₁ = 4. Una ganancia de controlador K = 19 y un lazo externo de realimentación negativa unitaria cierran el sistema. Halla el polo en lazo cerrado p.
G(s) = 3/(s + 8)H₁ = 4K = 19
p =
10.Diagramas de bloquesDifícil
Un controlador proporcional K = 16 gobierna la planta G(s) = 2/(s + 8) en un lazo de realimentación negativa unitaria. Una perturbación D entra a la entrada de la planta (se suma a la salida del controlador). Con R = 0, se aplica un escalón de perturbación de tamaño 2. Halla la salida en régimen estacionario css.
K = 16G(s) = 2/(s + 8)D = 2R = 0
css =
3Disoluciones
1.Respuesta al escalón
Respuesta: σ = −4,5
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 = 53 → ωₙ = 7,28 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·7,28) = 0,6181
Resultado
σ = −ζωₙ = −9/2 = −4,5
Respuesta
σ = −4,5
2.Respuesta al escalón
Respuesta: tp = 1,906 ms
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).
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 corte
ωc = 1/(RC) = 1/(4700·2,2 × 10⁻⁹) = 96712 rad/s
fc = 15392 Hz → f/fc = 3800/15392 = 0,2469
Ganancia
|H| = 0,2469/√(1 + 0,2469²) = 0,2397
20·log₁₀(0,2397) = −12,41 dB
Respuesta
|H| = −12,41 dB
4.Diagramas de Bode y márgenes
Respuesta: ω180 = 3,873 rad/s
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/5) = 1 → ω180 = √(3·5) = 3,873 rad/s
Respuesta
ω180 = 3,873 rad/s
5.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces
Respuesta: m = 10
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.
Tabla de Routh
s³ + 6s² + 8s + K = 0
s³: 1, 8
s²: 6, K
s¹: (6·8 − K)/6
s⁰: K
Mayor ganancia estable
Kmax = 6·8 = 48
Factor
m = 48/4,8 = 10
Respuesta
m = 10
Este factor es el margen de ganancia como cociente: 20 dB.
6.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces
Respuesta: ω = 5,196 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 + 10s² + 27s + 18 + K = 0
s¹: (10·27 − 18 − K)/10 = 0 → K = 252
Frecuencia de cruce
10s² + 18 + 252 = 10s² + 270 = 0 → s² = −27
ω = √27 = 5,196 rad/s
Respuesta
ω = 5,196 rad/s
7.Error en régimen permanente y control PID
Respuesta: K = 100
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 requerida
Kv = A/ess = 1/0,01 = 100
Ganancia
K = 1·Kv = 100
Respuesta
K = 100
Una ganancia grande deja este lazo muy poco amortiguado: ζ = 0,05. Ese conflicto es la razón de que se usen compensadores.
8.Error en régimen permanente y control PID
Respuesta: Kd = 1,314 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 + 1) + 10(20 + Kds) = s² + (1 + 10Kd)s + 200
Frecuencia natural
ωₙ = √200 = 14,14 rad/s
Ganancia derivativa
1 + 10Kd = 2·0,5·14,14 = 14,14
Kd = 1,314 s
Respuesta
Kd = 1,314 s
El término derivativo añade amortiguamiento sin cambiar ωₙ.
9.Diagramas de bloques
Respuesta: p = −77
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).
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) = 2/(s + 8 + 32)
Estado estacionario
css = 2·2/40 = 0,1
Respuesta
css = 0,1
Una K mayor reduce el efecto de la perturbación, pero nunca la anula con un controlador proporcional.