Análisis de sistemas de control, Respuesta en el tiempo

Ejemplo – Error en estado estable para dos entradas: escalón y rampa.

Dado el sistema de la siguiente figura, aplicar las siguientes señales de entrada: Escalón unitario, Rampa unitaria y Escalón de amplitud factor*2:

null

Se consideran las dos plantas siguientes:

null

Se pide: 1) Observar la respuesta temporal simulada durante 20 segundos para cada sistema y para cada entrada. 2) Obtener gráficamente el valor del error que presenta la respuesta cada sistema al cabo de 10 segundos.  3) Calcular la expresión analítica de dicho error en estado estacionario para cada una de las señales de entrada.

  1. Incluir un controlador proporcional, esto es, una ganancia (bloque Gain) en el diagrama. Dar el valor 10 a la ganancia y obtener de nuevo su respuesta ante las entradas utilizadas en el apartado anterior.
  2. De forma análoga, obtener gráficamente el valor del error que presenta la respuesta del sistema al cabo de 10 segundos. Calcular la expresión analítica de dicho error en estado estacionario para cada una de las señales de entrada.
  3. El sistema con la función de transferencia 1 se prueba con dos controladores: un P con ganancia proporcional 0.7 y un PI con la misma ganancia proporcional y con ganancia integral 10. Observar la respuesta obtenida ante un escalón unitario para el sistema sin controlador, para el sistema con el controlador P y para el que tiene el PI.
  4. Buscar una posible modificación en las ganancias de ambos controladores para mejorar la respuesta.
Respuesta:

Antes de simular la respuesta a las diferentes señales, definimos en Matlab las funciones de transferencia de cada planta mediante:

>> G1=tf([1],[1 1]);

>> G2=tf([1],[1 1 0]);

Estos comandos arrojan el siguiente resultado:

null

Definimos los sistemas de realimentación unitaria para cada una de las plantas:

>> sys1=feedback(G1,1);

>> sys2=feedback(G2,1);

null

Entrada Escalón unitario: Con la función step() simulamos la respuesta al escalón unitario de cada sistema de realimentación definido, durante 20 segundos:

>>  step(sys1)

null

Gráfica 1

>> step(sys2)

null

Gráfica 2

Mediante estas gráficas podemos calcular el valor del error que presenta la respuesta de cada sistema a la entrada escalón al cabo de 10 segundos. Comenzamos con sys1:

null

Gráfica 3

En la gráfica 3 podemos observar que la salida del sistema de realimentación 1, el cual involucra a G1(s), a los 10 segundos es igual a 0.5. Por lo tanto el error, e1(t) de este sistema a la entrada escalón cuando t=10s, es:

null

También se observa en la gráfica 3 que a los 10s el sistema 1 ha alcanzado su estado estable. Esto lo podemos corroborar mediante el comando stepinfo():

null

Por lo que el error a la entrada escalón unitario a los 10 segundos es igual al error e1step(∞) del sistema a la entrada escalón en estado estable:

null

En consecuencia, se puede calcular analíticamente este error utilizando la constante de posición Kp:

null

El error en estado estable e1step(∞) del sistema 1 a la entrada escalón unitario es:

null

Aplicamos este mismo procedimiento para calcular el valor del error que presenta la respuesta del sys2 a la entrada escalón unitario al cabo de 10 segundos:

null

Gráfica 4

En la gráfica 4 podemos observar que la salida del sistema de realimentación 2, el cual involucra a G2(s), a los 10 segundos es igual a 1. Por lo tanto el error, e2(t) de este sistema a la entrada escalón cuando t=10s, es:

null

Se observa en la gráfica 4 que a los 10s el sistema 2 ha alcanzado su estado estable.

null

Por lo que el error a la entrada escalón unitario a los 10 segundos es igual al error e2step(∞) del sistema a la entrada escalón en estado estable:

null

En consecuencia, se puede calcular analíticamente este error utilizando la constante de posición Kp:

null

El error en estado estable e2step(∞) del sistema 2 a la entrada escalón unitario es:

null

Entrada Rampa unitaria:

Para evaluar la respuesta de cada sistema a la rampa unitaria debemos en primer lugar definir la función rampa unitaria mediante:

>> t=0:0.01:21;

>> x=t;

>> lsim(sys1,x,t)

null

Gráfica 5 (la salida del sistema 1 en azul)

>> lsim(sys2,x,t)

null

Gráfica 6 (la salida del sistema 2 en azul)

Aplicamos el mismo procedimiento para calcular el valor del error que presenta la respuesta del sys1 a la entrada rampa al cabo de 10 segundos:

null

Gráfica 7 (la salida del sistema 1 en azul)

En la gráfica 7 podemos observar que la salida del sistema de realimentación 1, a los 10 segundos es igual a 4.75. Por lo tanto el error e1(t) de este sistema a la entrada rampa cuando t=10s, es:

null

El error e1rampa(∞) del sistema 1 a la entrada rampa, se puede calcular analíticamente utilizando la constante de posición Kv:

null

El error en estado estable e1ramp(∞) del sistema 1 a la entrada rampa es:

null

Si vemos la gráfica 7 podemos ver que la entrada crece indefinidamente, y también crece infinitamente la separación con la salida del sistema. Por eso el error en estado estable del sistema 1 a la entrada rampa es infinito.

Para el sys2 al cabo de 10 segundos:

null

Gráfica 8 (la salida del sistema 2 en azul)

En la gráfica 8 podemos observar que la salida del sistema de realimentación 2, a los 10 segundos es igual a 9. Por lo tanto el error e2(t) de este sistema a la entrada rampa cuando t=10s, es:

null

El error e2rampa(∞) del sistema 2 a la entrada rampa, se puede calcular analíticamente utilizando la constante de posición Kv:

null

El error en estado estable e2ramp(∞) del sistema 2 a la entrada rampa es:

null

Si vemos la gráfica 8 podemos ver que ambas señales, entrada y salida, crecen en paralelo indefinidamente, con una diferencia constante de 1. En conclusión, el error en estado estable del sistema 2 a la entrada rampa es igual a 1.

Escalón de amplitud factor*2:

Utilizamos el factor=0.7

Por tanto, el escalón tendrá una amplitud de 1.4

Para evaluar la respuesta de cada sistema al escalón de amplitud 1.4 simplemente multiplicamos cada sistema por 1.4 y evaluamos la respuesta para el escalón unitario. A cada sistema nombramos 1.1 y 2.2 respectivamente. Entonces:

>> sys11= 1.4*sys1

>> sys22=1.4* sys2;

null

Procedemos a graficar los sistemas anteriormente definidos:

>> step(sys11)

null

Gráfica 9

>> step(sys22)

null

Gráfica 10

Aplicamos el procedimiento para calcular el valor del error que presenta la respuesta del sys1.1 a la entrada escalón de amplitud 1.4 al cabo de 10 segundos:

null

Gráfica 11

En la gráfica 11 podemos observar que la salida del sistema 1.1, a los 10 segundos es igual a 0.7. Por lo tanto el error, e1.1(t) de este sistema a la entrada escalón con amplitud 1.4 cuando t=10s, es:

null

Utilizando el principio de superposición, podemos calcular el error a la entrada escalón utilizando la constante de posición Kp y sumando 0.4 a la expresión para e1.1step(∞):

null

Dónde:

null

Nota: se determinó Geq mediante la regla siguiente:

null

Por tanto:

null

Se confirma que el error en estado estable del sistema 1.1 a la entrada escalón con amplitud 1.4 es:

null

Aplicamos el procedimiento para calcular el valor del error que presenta la respuesta del sys2.2 a la entrada escalón al cabo de 10 segundos:

null

Gráfica 12

En la gráfica 12 podemos observar que la salida del sistema 2.2, a los 10 segundos es igual a 1.4. Por lo tanto el error, e2.2(t) de este sistema a la entrada escalón con amplitud 1.4 cuando t=10s, es:

null

Se puede calcular el error a la entrada escalón utilizando la constante de posición Kp:

nullDónde:

null

Por tanto:

null

Se confirma que el error en estado estable del sistema 2.2 a la entrada escalón con amplitud 1.4 es:

null

2DA PARTE
  1. Incluir un controlador proporcional, esto es, una ganancia (bloque Gain) en el diagrama. Dar el valor 10 a la ganancia y obtener de nuevo su respuesta ante las entradas utilizadas en el apartado anterior.
  2. De forma análoga, obtener gráficamente el valor del error que presenta la respuesta del sistema al cabo de 10 segundos. Calcular la expresión analítica de dicho error en estado estacionario para cada una de las señales de entrada.

Respuesta: Error Est Estable 2da parte

3RA PARTE

6. El sistema con la función de transferencia 1 se prueba con dos controladores: un P con ganancia proporcional 0.7 y un PI con la misma ganancia proporcional y con ganancia integral 10. Observar la respuesta obtenida ante un escalón unitario para el sistema sin controlador, para el sistema con el controlador P y para el que tiene el PI.

7. Buscar una posible modificación en las ganancias de ambos controladores para mejorar la respuesta.

Respuesta: Error Est Estable 3ra parte

Fuentes:

  1. Control Systems Engineering, Nise
  2. Sistemas de Control Automatico Benjamin C Kuo
  3. Modern_Control_Engineering, Ogata 4t

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