Ingeniería de control 2: diseño de control realimentado: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 10 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.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)1tp​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 35/(s² + 2s + 35) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el tiempo de pico tp de la respuesta al escalón.

G(s) = 35/(s² + 2s + 35)
tp = s
2.Respuesta al escalónDifícil
R(s)+Ks(s + 2)G(s)C(s)−

Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = K/(s(s + 2)). Halla la ganancia K que da una respuesta al escalón con un sobreimpulso del 30 %.

G(s) = K/(s(s + 2))%OS = 30 %
K =
3.Diagramas de Bode y márgenesMedia
|H| (dB)0,11101001000−60−40−20020ω (rad/s)ω = 4

Halla el módulo exacto |G(jω)| de G(s) = 1152/((s + 9)(s + 16)) en ω = 4 rad/s, en dB.

G(s) = 1152/((s + 9)(s + 16))ω = 4 rad/s
|G(jω)| = dB
4.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 32,5/(s(s + 5)). Halla el margen de fase PM en grados.

L(s) = 32,5/(s(s + 5))
PM = °
5.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesMedia
R(s)+2431s(s + 3)(s + 6)C(s)−

El lazo del diagrama tiene realimentación negativa y L(s) = 243/(s(s + 3)(s + 6)). ¿Cuántos polos de lazo cerrado N están en el semiplano derecho?

L(s) = 243/(s(s + 3)(s + 6))
N =
6.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesDifícil
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81j1j2

Para L(s) = K/((s + 7)(s² + 8s + 17)), halla el ángulo de salida θd del lugar de las raíces desde el polo complejo del semiplano superior, medido desde el eje real positivo.

L(s) = K/((s + 7)(s² + 8s + 17))
θd = °
7.Error en régimen permanente y control PIDMedia
R(s)+K(s + 4)(s + 10)C(s)−

Un lazo con realimentación unitaria tiene G(s) = K/((s + 4)(s + 10)). Halla la ganancia K que da un error en régimen permanente del 2 % para una entrada en escalón.

G(s) = K/((s + 4)(s + 10))ess = 2 %
K =
8.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+K = 102s(s + 6)C(s)−

Un controlador proporcional K = 10 controla la planta G(s) = 2/(s(s + 6)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla el tiempo de pico tp de la respuesta al escalón.

G(s) = 2/(s(s + 6))K = 10
tp = s
9.Diagramas de bloquesMedia
R(s)+11s + 3G(s)C(s)0,5H−

Una planta G(s) = 11/(s + 3) se controla en un lazo de realimentación negativa cuyo sensor tiene ganancia H = 0,5. Se aplica un escalón de tamaño 24 en R. Halla la salida en régimen estacionario css.

G(s) = 11/(s + 3)H = 0,5R = 24
css =
10.Diagramas de bloquesDifícil
R(s)+Kcontrolador+D(s)+8s + 5plantaC(s)−

Un controlador proporcional K gobierna la planta G(s) = 8/(s + 5) en un lazo de realimentación negativa unitaria. Un escalón de perturbación de tamaño 0,5 entra a la entrada de la planta con R = 0. Halla la menor ganancia K que mantiene la salida en régimen estacionario en 0,008 o menos.

G(s) = 8/(s + 5)D = 0,5css ≤ 0,008
K =

3Disoluciones

1.Respuesta al escalón

Respuesta: tp = 0,5388 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 = 35 → ωₙ = 5,916 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·5,916) = 0,169

Resultado

ωd = 5,916·√(1 − 0,169²) = 5,831 rad/s → tp = π/ωd = 0,5388 s

Respuesta

tp = 0,5388 s
2.Respuesta al escalón

Respuesta: K = 7,809

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 + 2s + K)

Razón de amortiguamiento a partir del sobreimpulso

ζ = −ln(0,3)/√(π² + ln²(0,3)) = 0,3579

Ganancia

ωₙ = 2/(2ζ) = 2,794 rad/s
K = ωₙ² = 7,809

Respuesta

K = 7,809
3.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: |G(jω)| = 17,02 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.

Multiplica los módulos

|G(j4)| = 1152/(√(4² + 9²)·√(4² + 16²)) = 1152/(9,849·16,49) = 7,092

Resultado

20·log₁₀(7,092) = 17,02 dB

Respuesta

|G(jω)| = 17,02 dB
4.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: PM = 46,62 °

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 ganancia

ω⁴ + 25ω² − 1056 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·1056))/2 = 22,32
ωc = 4,725 rad/s

Margen de fase

∠L(jωc) = −90° − atan(4,725/5) = −133,4°
PM = 180° + ∠L = 46,62°

Respuesta

PM = 46,62°
5.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces

Respuesta: N = 2

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

s³ + 9s² + 18s + 243 = 0

Tabla de Routh

s³: 1, 18
s²: 9, 243
s¹: −9
s⁰: 243

Cambios de signo en la primera columna

1 → 9 → −9 → 243
N = 2

Respuesta

N = 2

La ganancia supera el límite K = 162, así que un par complejo ha cruzado al semiplano derecho.

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

Respuesta: θd = 71,57 °

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.

Posiciones de los polos

s² + 8s + 17 = 0 → s = −4 ± j1
s = −7

Ángulos de los demás polos

∠(−4 + j1 + 7) = atan2(1, 3) = 18,43°
∠(−4 + j1 − (−4 − j1)) = ∠(j2) = 90°

Ángulo de salida

θd = 180° − 18,43° − 90° = 71,57°

Respuesta

θd = 71,57°
7.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: K = 1960

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 error requerida

1/(1 + Kp) = 0,02 → Kp = 49

Ganancia

K/40 = 49 → K = 1960

Respuesta

K = 1960

Comprueba también la estabilidad del lazo cerrado: en este lazo de segundo orden cualquier K > 0 es estable.

8.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: tp = 0,9472 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 + 6) + 10·2 = s² + 6s + 20

ωₙ y ζ

ωₙ = √20 = 4,472 rad/s
ζ = 6/(2·4,472) = 0,6708

Tiempo de pico

ωd = 4,472·√(1 − 0,6708²) = 3,317 rad/s
tp = π/3,317 = 0,9472 s

Respuesta

tp = 0,9472 s
9.Diagramas de bloques

Respuesta: css = 31,06

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).

Función de transferencia en lazo cerrado

T(s) = G/(1 + G·H) = 11/(s + 3 + 5,5) = 11/(s + 8,5)

Resultado

css = R·T(0) = 24·11/8,5 = 31,06

Respuesta

css = 31,06
10.Diagramas de bloques

Respuesta: K = 61,88

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).

Respuesta a la perturbación

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 0,5·8/(5 + 8K)

Resolver para K

5 + 8K = 0,5·8/0,008 = 500
K = (500 − 5)/8 = 61,88

Respuesta

K = 61,88

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