Análisis de sistemas de control, Respuesta en el tiempo

Problemas resueltos de Análisis de respuesta transitoria de sistemas lineales – Matlab – Catálogo 9

En esta guía PDF  se analiza la respuesta transitoria de sistemas Eléctricos, Electrónicos, Masa-resorte-amortiguador, Electromecánicos, que forman parte a su vez de sistemas de control, señales y sistemas, análisis de redes eléctricas, etc.  Una vez cancelado debes Solicitar la guía vía email – WhatsApp. Se facilita pago por PayPal, Tarjeta de crédito o débito. Costo: 15 €.

A continuación, los enunciados de problemas resueltos en esta guía.

Ejercicio 1.

Para el sistema de la Figura siguiente:

null

1.a Calcula y justifica el valor de la ganancia estática y la constante de tiempo cuando G(s) y H(s):

nullSimular en Matlab.

1.b Analiza el comportamiento (subamortiguado, sobreamortiguado, críticamente amortiguado, inestable, oscilación mantenida) de la salida para los diferentes valores del parámetro a ante la entrada escalón unitario cuando:

null

El parámetro a toma valores reales. Simular en Matlab.

1.c Calcula frecuencia natural no amortiguada, frecuencia natural amortiguada, factor de amortiguamiento, tiempo de crecimiento, tiempo pico, sobre impulso máximo para el caso b. Simular en Matlab

Ejercicio 2. 

Sea el sistema adjunto:

nullSe pide:

2.a Obtener la función de transferencia del sistema, considerando la tensión ei como la señal de entrada al sistema y la tensión eo como la señal de salida del sistema.

2.b Calcular, a partir del modelo obtenido, el valor de estabilización del sistema ante entrada escalón unitario. ¿Depende de los valores de las resistencias y del condensador?

2.c Obtener el valor del tiempo en el que la salida del sistema alcanza el 95% de su valor final, suponiendo que los valores de R y C son iguales a 1. Simular en Matlab.

Ejercicio 3. 

Para el sistema adjunto:

null

Se pide:

3.a Obtener la función de transferencia del sistema, considerando la tensión vi como la señal de entrada al sistema y la tensión vo como la señal de salida del sistema.

3.b Calcular, a partir del modelo obtenido, el valor de estabilización del sistema ante entrada escalón unitario. ¿Depende del valor de la resistencia R?

3.c Analiza el sistema respecto al parámetro R. Simular en Matlab.

Problemas resueltos de Análisis de respuesta transitoria de sistemas lineales – Matlab – Catálogo 9

En esta guía PDF  se analiza la respuesta transitoria de sistemas Eléctricos, Electrónicos, Masa-resorte-amortiguador, Electromecánicos, que forman parte a su vez de sistemas de control, señales y sistemas, análisis de redes eléctricas, etc.

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Análisis de sistemas de control, Respuesta en el tiempo

Sistemas de segundo orden – Circuitos

En comparación con la simplicidad de un sistema de primer orden, un sistema de segundo orden exhibe una amplia gama de respuestas que deben analizarse y  describirse. Mientras que variar el parámetro de un sistema de primer orden simplemente cambia la velocidad de la respuesta, los cambios en los parámetros de un sistema de segundo orden pueden cambiar la forma total de la respuesta.

Para un repaso general, recomiendo ver la siguiente guía:

Sistemas de segundo orden

Circuitos y sistemas de segundo orden

Referencias:

  1. Fundamentos_de_Señales_y_Sistemas_usando la Web y Matlab
  2. Oppenheim – Señales y Sistemas
  3. Análisis de Sistemas Lineales Asistido con Scilab – Un Enfoque desde la Ingeniería Eléctrica.

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Análisis de sistemas de control

Introducción a la Automatización Industrial – guía pdf.

La Automatización: es la ciencia que trata de sustituir en un proceso el operador humano por dispositivos mecánicos o electrónicos. Implica la utilización de técnicas y equipos para que un sistema funcione de forma automática.

La siguiente es una guía introductoria para dar un vistazo al contenido de esta ciencia:

Fuente:

Prof. Juan Antonio García – Universidad de Málaga

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Atención:

Te recomiendo el libro “Sistema masa-resorte-amortiguador, 73 Ejercicios Resueltos”. Lo he escrito luego de agrupar, ordenar y resolver los ejercicios más frecuentes en los libros que se utilizan en las clases universitarias de Ingeniería de Sistemas de Control, Mecánica, Electrónica, Mecatrónica y Electromecánica, entre otras.

Si necesitas adquirir la destreza de solucionar problemas, ésta es una excelente opción para entrenarte y ser eficaz al presentar exámenes, o tener una base sólida para iniciar estas carreras profesionales. 

Atención:

Si lo que Usted necesita es resolver con urgencia un problema de “Sistema Masa-Resorte-Amortiguador” (encontrar la salida X(t), gráficas en Matlab del sistema de 2do Orden y parámetros relevantes, etc.), o un problema de “Sistema de Control Electromecánico” que involucra motores, engranajes, amplificadores diferenciales, etc…para entregar a su profesor en dos o tres días, o con mayor urgencia…o simplemente necesita un asesor para resolver el problema y estudiar para el próximo examen…envíeme el problema.. le entrego la respuesta en digital..opcional simulación en Matlab.

Relacionado:

Diagrama de Bloques – Ingeniería de Control

Dinámica de un Sistema Masa-Resorte-Amortiguador

Diagrama de Bloques de Sistema Electromecánico con Motor DC

Respuesta Transitoria de un Sistema de Control

Error en estado estable de un sistema de contro

Análisis de sistemas de control, Respuesta en el tiempo

Salida de un sistema de control en Estado Estable

El valor de la salida de un sistema en estado estable se puede determinar utilizando El teorema del valor final, cuando se cuenta con la función de transferencia del sistema, utilizando además una señal de entrada escalón unitario como señal de prueba.

El teorema del valor final se plantea del modo siguiente. Si f(t) y df(t)/dt  se pueden transformar por el método de Laplace; si F(s) es la transformada de Laplace de f(t); y si existe el límite de f(t) cuando el tiempo tiende a infinito, entonces:

null

Ejemplo:

Sea G(s) la función de transferencia de un sistema cualquiera cuya entrada es la señal x(t) y la salida es la señal y(t):

null

¿Cuál es el valor en estado estable y(∞) de la señal de salida y(t) para una entrada x(t) que es la función escalón unitario?

Respuesta:

Si la señal de entrada x(t) del sistema es un escalón unitario, entonces su transformada de Laplace X(s)  es:null

Despejamos la transformada de Laplace de la señal de salida, es decir, Y(s), de la ecuación (1) y sustituimos en ella la ecuación (2):

null

Aplicamos entonces el teorema del valor final para hallar y(∞) a la ecuación (3):

null

Por tanto, cuando ha pasado mucho tiempo y el sistema cuya función de transferencia es G(s) se estabiliza, la salida del sistema es igual a 1. Podemos corroborar este resultado mediante la siguiente simulación en Matlab:

>> G=tf([1],[1 1]);
>> step(G)

null

Fuentes:

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

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Relacionado:

Ejemplo 1 – Respuesta Transitoria de sistema masa-resorte-amortiguador

Ejemplo 1 – Respuesta transitoria de un sistema electromecánico

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Dinámica de un Sistema Masa-Resorte-Amortiguador

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 Estabilidad de un sistema de control
Análisis de sistemas de control, Diagramas de bloques

Diagrama de Bloques – Problemas resueltos – Catálogo 8 – Sistema MRA y eléctrico.

Diagramas de bloques en ingeniería de control. 

En esta guía PDF  se determina el Diagrama de Bloques y la Función de Transferencia mediante la aplicación álgebra de bloques, de los ejercicios que más se utilizan en las clases de sistemas masa-resorte-amortiguador que forman parte a su vez de sistemas de control, señales y sistemas, análisis de redes eléctricas con motor DC, sistemas electrónicos en mecatrónica, etc. Es un buen recurso para aprender también a obtener  la representación en variables de estado. También aparecen ejemplos de como aplicar la misma técnica a redes eléctricas y sistemas de nivel de líquido. Una vez cancelado debes Solicitar la guía vía email – WhatsApp. Se facilita pago por PayPal, Tarjeta de crédito o débito. Costo: 8 €.

1. Obtener la función de transferencia G(s)=Y(s)/R(s)  de la Figura 1, por dos métodos: empleando técnicas de reducción por álgebra de bloques y utilizando la fórmula de Mason.

null

2. Obtener la función de transferencia G(s)=C(s)/R(s)  de la Figura 2, por dos métodos: empleando técnicas de reducción por álgebra de bloques y utilizando la fórmula de Mason.

null

3. Obtener la función de transferencia G(s)=C(s)/R(s)  de la Figura 3, empleando técnicas de reducción por álgebra de bloques.

null

4. Hallar las ecuaciones del sistema de la Figura 7 y representarlo mediante variables de estado. A partir de allí determinar el diagrama de bloques del sistema. Luego, utilizando álgebra de diagrama de bloques, Hallar la función de transferencia X(s)/U(s). Considerar a x(t) como la salida y a u(t) como la entrada. Comprobar el resultado mediante transformada de Laplace.

null

5. Hallar las ecuaciones del sistema de la Figura 8. Hallar la representación matricial del sistema (variables de estado). Considere a x1(t) como la salida, y a u(t) como la entrada. Construya el diagrama de bloques del sistema y utilizando álgebra de bloques determinar la función de transferencia X1(s)/U(s).

null

6. Hallar las ecuaciones del sistema de la figura 22. Determinar la función de transferencia X1(s)/U(s). Determinar el diagrama de bloques del sistema a partir de la función de transferencia obtenida.

null

7. Hallar las ecuaciones del Sistema de la Figura 24. Hallar la representación en espacio de estados del sistema, considerando a Θ1(t) como la salida y a T(t) como la entrada. Hallar el diagrama de bloques del sistema y a partir de allí, mediante álgebra de bloques, determinar la función de transferencia Θ1(s)/T(s).

null

8. Hallar las ecuaciones del sistema de la Figura 25. Determinar la función de transferencia X1(s)/F(s). Obtener el diagrama de bloques del sistema a partir de la función de transferencia obtenida (Explicar paso a paso). Graficar la respuesta del sistema a una entrada función escalón mediante Matlab. Considerar k1= k2= k3= 1 N/m, b1= b2= b3=1 N-s/m, m1= m2= m3=1 Kg.

null

null

Gráfica de respuesta al escalón unitario del ejercicio 5.

9. Determinar las ecuaciones diferenciales que representan el modelo del sistema de la Figura 75. Utilizar el método de análisis de nodos. Hallar la función de transferencia Vo(s)/V(s). Realice la representación del sistema en diagrama de bloques a partir de la función de transferencia Vo(s)/V(s). Considerar R1=1Ω,  R2= R3=1 Ω, L=1 H, C1=C2=1 pF.

null

10. Obtener la función de transferencia Vo(s)/V(s) del sistema eléctrico de la figura 75, a partir del diagrama de bloques del sistema obtenido en el problema 6, utilizando álgebra de bloques. Simular y analizar en Matlab la respuesta del sistema a una entrada escalón unitario.

11. Hallar la representación en espacio de estados del Sistema mostrado en la Figura 39 suponiendo que Θ4(t) es la salida y T(t) es la entrada. Dibujar el diagrama de bloques del sistema y hallar la función de transferencia Θ4(t)/T(t). Considerar k=2 N-m/rad, b=16 N-m-s/rad, J=4  Kg-m2

null

12. Hallar la función de transferencia ΘL(s)/Ei(s) del Sistema mostrado en la Figura 56. Hallar la representación en espacio de estados del sistema, suponiendo que ΘL(t) es la salida y que ei(t) es la entrada. Representar el Sistema mediante un diagrama de bloques. A partir del diagrama de bloques del sistema, determinar nuevamente y por medio de álgebra de bloques la función de transferencia ΘL(s)/Ei(s).

null

13. Hallar la función de transferencia ΘL(s)/Θr(s) del Sistema  mostrado en la Figura 59. Diseñar el diagrama de bloques del sistema.

null

14. Hallar la función de transferencia Q2(s)/Q1(s) del Sistema de Nivel de Líquido mostrado en la Figura 68. Hallar la representación en espacio de estados del Sistema tomando a q2(t) como la salida, y a q1(t) como la entrada. Obtener el diagrama de bloques del sistema y determinar la misma función de transferencia por medio de álgebra de bloques.

null

15. Un modelo muy simplificado de la dinámica de un cohete, se observa en la Figura 1. Una barra uniforme de masa m y longitud 2L, sometida a la fuerza de la gravedad en G (centro de gravedad de la barra) y a dos fuerzas exteriores aplicadas en su extremo inferior: una vertical V(t) y otra horizontal H(t). Se pide: i) Dibujar el diagrama de variables de entrada y salida. Caracterizar el punto de equilibrio determinado por x(0)=0, y(0)=0, .ii) Obtener el sistema de ecuaciones linealizado alrededor del punto de equilibrio. iii) Dibujar el diagrama de bloques del sistema. iV)Obtener a partir de él las funciones de transferencia:

null

null

Diagrama de bloques en sistemas de control – Problemas resueltos – Catálogo 8

En esta guía PDF  se determina el Diagrama de Bloques y la Función de Transferencia mediante la aplicación álgebra de bloques, de los ejercicios que más se utilizan en las clases de sistemas masa-resorte-amortiguador que forman parte a su vez de sistemas de control, señales y sistemas, análisis de redes eléctricas con motor DC, sistemas electrónicos en mecatrónica, etc. Es un buen recurso para aprender también a obtener  la representación en variables de estado. También aparecen ejemplos de como aplicar la misma técnica a redes eléctricas y sistemas de nivel de líquido.

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Para resolver esta guía se utilizarán las siguientes reglas:

null

null

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Análisis de sistemas de control, Diagrama de Bode, Función de Transferencia

Función de transferencia a partir del diagrama de Bode.

Los gráficos de Bode son una presentación conveniente de los datos de respuesta de frecuencia para el propósito de estimar la función de transferencia. El Diagrama de Bode permite determinar y extraer partes de la la función de transferencia, lo que abrirá el camino a más cálculos para encontrar las partes restantes de dicha función.

Aunque la experiencia y la intuición son invaluables en el proceso, los siguientes pasos  ofrecen una guía:

1. Observe las gráficas de magnitud y fase de Bode y estime la configuración de polos y zeros del sistema. Observar la pendiente inicial en el diagrama de magnitud para determinar el tipo de sistema. Observar las excursiones de fase para tener una idea de la diferencia entre el número de polos y el número de zeros.
2. Vea si partes de las curvas de magnitud y fase representan gráficas obvias de respuesta de frecuencia de polo o zero de primer o segundo orden.
3. Observar si hay algún pico revelador o depresiones en la gráfica de magnitud que indique un polo de segundo orden o zero amortiguado, respectivamente.
4. Si alguna respuesta típica de un polo o un zero puede ser identificada, superponer líneas apropiadas de ± 20 o ± 40 dB / década en la curva de magnitud o líneas de ±45°/década en la curva de fase y estimar las frecuencias de ruptura. Para polos o zeros de segundo orden, calcule la relación de amortiguamiento y la frecuencia natural a partir de las curvas estándar.

5. Diseñar una función de transferencia de ganancia unitaria utilizando los polos y zeros encontrados. Obtenga la respuesta de frecuencia de esta función de transferencia y reste esta respuesta de la respuesta de frecuencia anterior, con la que comenzó el ejercicio. Ahora tiene una respuesta de frecuencia de complejidad reducida a partir de la cual comenzar el proceso nuevamente para extraer más información sobre los polos y ceros del sistema. Un programa de computadora como MATLAB es de gran ayuda para este paso.

Example

Encontrar la función de transferencia del sistema cuyo diagrama de Bode se muestra en la Figura 1:

null

Figura 1

Primero extraigamos los polos subamortigados, basados en el pico en la curva de magnitud. Estimamos que la frecuencia natural está cerca de la frecuencia pico, o aproximadamente 5 rad/s. De la Figura 1, podemos ver un pico alrededor de 6.5 dB, que se interpreta como un factor de amortiguamiento ζ=0,24. La función de transferencia estándar de un sistema de segundo orden con ganancia unitaria es:

null

Se restan los diagramas de Bode en la Figura 2:

null

Figura 2

Al superponer una línea de -20 dB/decade en la respuesta de magnitud y una línea de -45°/decade en la respuesta de fase, detectamos un polo final. A partir de la respuesta de fase, estimamos la frecuencia de ruptura a 90 rad/s. Restando la respuesta de G2(s)=90/(s+90) de la respuesta anterior se obtiene la respuesta en la Figura 3.

null

Figura 3

La figura 3 tiene una curva de magnitud y fase similar a la generada por una función de retraso. Dibujamos una línea de -20 dB/decade y la ajustamos a las curvas. Las frecuencias de ruptura se leen de la figura como 9 y 30 rad/s. Una función de transferencia de ganancia unitaria que contiene un polo en -9 y un cero en -30 es G3(s)=0.3(s+30)/(s+9). Al restar G1(s)G2(s)G3(s), encontramos la respuesta de frecuencia de magnitud plana ± 1 dB y la respuesta de fase plana a -3 ± 5 °. Por lo tanto, concluimos que hemos terminado de extraer las funciones de transferencia dinámica, la cual es:

null

Es interesante notar que la curva original se obtuvo de la función:

null

Fuentes:

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

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Análisis de sistemas de control, Diagrama de Bode

El diagrama de Bode – Gráfica de respuesta en frecuencia de un sistema de control.

El diagramas de Bode es el trazado de la respuesta de frecuencia de un sistema con gráficos de magnitud y fase separados. Las curvas de respuesta en frecuencia, de magnitud y  de fase como funciones de log ω se denominan Diagramas de Bode. El dibujar diagramas de Bode se puede simplificar porque se pueden aproximar como una secuencia de líneas rectas. Las aproximaciones en línea recta simplifican la evaluación de la de magnitud y  de fase de la respuesta en frecuencia.

Cuando elaboramos las gráficas de magnitud y  de fase por separado, la gráfica de la curva de magnitud puede tener el eje de las ordenadas en decibeles (dB) vs. log ω en el eje de las abscisas, donde dB = 20 log M.

Ejemplo

Grafica el Diagrama de Bode para la respuesta en frecuencia del sistema descrito por la función de Transferencia G(s):

null

null

Factores Básicos de G(jω)H(jω)

La ventaja principal de usar una traza logarítmica es la facilidad relativa de graficar las curvas de la respuesta en frecuencia. Los factores básicos que suelen ocurrir en una función de transferencia arbitraria G(jω)H(jω) son:

  1. La ganancia K
  2. Los factores de integral y de derivada null,
  3. Los factores de primer orden null,
  4. Los factores cuadráticos null.

Una vez que nos familiarizamos con las trazas logarítmicas de estos factores básicos, es posible utilizarlas con el fin de construir una traza logarítmica compuesta para cualquier forma de G(jω)H(jω), trazando las curvas para cada factor y agregando curvas individuales en forma gráfica, ya que agregar los logaritmos de las ganancias corresponde a multiplicarlos entre sí.

El proceso de obtener la traza logarítmica se simplifica todavía más mediante aproximaciones asintóticas para las curvas de cada factor.

La ganancia K. Un número mayor que la unidad tiene un valor positivo en decibeles, en tanto que un número menor que la unidad tiene un valor negativo.

La curva de magnitud logarítmica para una ganancia constante K es una recta horizontal cuya magnitud es de 20 log K decibeles. El ángulo de fase de la ganancia K es cero. El efecto de variar la ganancia K en la función de transferencia es que sube o baja la curva de magnitud logarítmica de la función de transferencia en la cantidad constante correspondiente, pero no afecta la curva de fase.

Factores de integral y de derivadanull(polos y ceros en el origen). La magnitud logarítmica de l/ en decibeles es:

null

El ángulo de fase de l/ es constante e igual a -90°.

En las trazas de Bode, las razones de frecuencia se expresan en términos de octavas o décadas. Una octava es una banda de frecuencia de ω1 a 2ω1, en donde ω1 es cualquier frecuencia. Una década es una banda de frecuencia de ω1 a 10ω1, en donde, otra vez, ω1 es cualquier frecuencia. (En la escala logarítmica del papel semi logarítmico, cualquier razón de frecuencia determinada se representa mediante la misma distancia horizontal. Por ejemplo, la distancia horizontal de ω=1  a ω=10  es igual a la de ω=3  a ω=30.

Si se gráfica la magnitud logarítmica de -20logω dB contra ω en una escala logarítmica,  se obtiene una recta. Para trazar esta recta, necesitamos ubicar un punto (0 dB, ω= 1) en ella. Dado que:

null

La pendiente m de la recta para l/ es de:

null

El ángulo de fase del factor l/ es constante e igual a -90°

De igual forma:

null

La pendiente m de la recta para  es de:

null

El ángulo de fase del factor  es constante e igual a 90°

La siguiente figura muestra curvas de respuesta en frecuencia para l/ y , respectivamente.

null

Observar que ambas magnitudes logarítmicas se vuelven iguales a 0 dB en ω=1.

Por tanto, si la función de transferencia contiene el factor (l/)n o ()n , la magnitud logarítmica se convierte, respectivamente, en:

nullO bien

null

Por tanto, las pendientes de las curvas de magnitud logarítmica para los factores  (l/)n y ()n son -20n dB/década y 20n dB/década, respectivamente.

El ángulo de fase de (l/)n es igual a -90°n durante todo el rango de frecuencia, en tanto que el ángulo de fase de ()n es igual a 90°n en todo el rango de frecuencia. Las curvas de magnitud pasarán por el punto (0 dBω= 1).

Factores de primer ordennull. La magnitud logarítmica del factor de primer orden l/(1+jωT) en decibeles es:

null

Para frecuencias bajas, tales que ω<<1/T, la magnitud logarítmica se aproxima mediante:

null

Por tanto, la curva de magnitud logarítmica para frecuencias bajas en este factor es la línea 0 dB constante. Para frecuencias altas, tales que :

null

Ésta última es una expresión aproximada para el rango de altas frecuencias. En ω=1/T , la magnitud logarítmica es igual a 0 dB; en ω=10/T, la magnitud logarítmica es de -20 dB. Por tanto, el valor de -20logωT dB  disminuye en 20 dB para todas las décadas de ω. De esta forma, para ω>>1/T, la curva de magnitud logarítmica es una línea recta con una pendiente de -20 dB/década (o -6 dB/octava).

Nuestro análisis muestra que la representación logarítmica de la curva de respuesta en frecuencia del factor l/(1+jωT) se aproxima mediante dos asíntotas (líneas rectas), una de las cuales es una recta de 0 dB para el rango de frecuencia 0<ω<1/T  y la otra es una recta con una pendiente de -20 dB/década (o -6 dB/octava) para el rango de frecuencia 1/T<ω<∞. La frecuencia en la cual las dos asíntotas se encuentran se denomina frecuencia de esquina o frecuencia de corte. Para el factor l/(1+jωT), la frecuencia ω=1/T es la frecuencia de esquina, dado que en ese punto ambas asíntotas tienen el mismo valor.

null

Una ventaja de las trazas de Bode es que, para factores recíprocos, por ejemplo, el factor 1+jωT, las curvas de magnitud logarítmica y de ángulo de fase sólo necesitan cambiar de signo. Por tanto, la pendiente de la asíntota de alta frecuencia de 1+jωT es 20 dB/década, y el ángulo de fase varía de 0°  a 90°  conforme la frecuencia ω se incrementa de cero a infinito., como se puede ver en la siguiente Figura:

null

Factores cuadráticosnull. Los sistemas de control suelen tener factores cuadráticos de la forma:

null

Si ζ>1, este factor cuadrático se expresa como un producto de dos factores de primer orden con polos reales. Si 0<ζ<1, este factor cuadrático es el producto de dos factores complejos conjugados.

La curva asintótica de respuesta en frecuencia para null se obtiene del modo siguiente. Dado que:

null

para frecuencias bajas tales que ω<<ωn, la magnitud logarítmica se convierte en:

null

Por tanto, la asintota de frecuencia baja es una recta horizontal en 0 dB. Para frecuencias altas tales que ω>>ωn, la magnitud logarítmica se vuelve:

null

La ecuación para la asíntota de alta frecuencia es una recta con pendiente de -40dB/década, dado que:

null

La asíntota de alta frecuencia intersecta la de baja frecuencia en ω=ωn, dado que en esta frecuencia:

null

Esta frecuencia ωn es la frecuencia de esquina para el factor cuadrático considerado.

null

Fuentes:

  1. Modern_Control_Engineering, Ogata 4t
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Análisis de sistemas de control, Criterio de Nyquist

Estabilidad vía Nyquist Diagrama – El criterio de Nyquist

The Nyquist criterion can tell us if the system is stable or unstable by determining how many closed-loop poles are in the right half-plane of the closed-loop system of Figure 1:

null

Figure 1

Consider the contour A defined in s-plane of Figure 2:

null

Figure 2

If a contour, A, that encircles the entire right half-plane of the root-locus of the system determined by the characteristic equation 1+ G(s)H(s), is mapped through G(s)H(s), then the number of closed-loop poles, Z, in the right half-plane equals the number of open-loop poles, P, that are in the right half-plane minus the number of counterclockwise revolutions, N, around -1 of the mapping; that is, Z:

null

Thus, to reach stability, Z must be equal to zero.

This mapping is called the Nyquist diagram, or Nyquist plot, of G(s)H(s).

To understand the Nyquist criteria for stability, we must first establish four important concepts that will be used during its application:

(1) the relationship between the poles of 1+ G(s)H(s) and the poles of G(s)H(s); (2) the relationship between the zeros of 1+ G(s)H(s) and the poles of the closed-loop transfer function (3) the concept of mapping points; and (4) the concept of mapping contours.

We could demonstrate that the poles of 1+ G(s)H(s) are the same as the
poles of G(s)H(s), the open-loop system, and (2) the zeros of  1+ G(s)H(s) are the
same as the poles of closed-loop transfer function of the system.

In construction…

Fuentes:

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

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Análisis de sistemas de control, Criterio de Nyquist

El diagrama de Nyquist

El diagrama de Nyquist, también es conocido como “La Traza Polar” de una función de transferencia senoidal G(jω), es una gráfica de la magnitud de G(jω) contra el ángulo de fase de G(jω) en coordenadas polares, conforme ω varía de cero a infinito. Por tanto, El diagrama de Nyquist es el lugar geométrico de los vectores:

null
conforme ω varía de cero a infinito. Observe que, en las gráficas polares, los ángulos de fase son positivos (negativos) si se miden en el sentido contrario de las manecillas del reloj (en el sentido de las manecillas) a partir del eje real positivo.

La siguiente figura muestra un ejemplo de un diagrama de Nyquist:

null

Todos los puntos de la traza polar de G(jω) representan el punto terminal de un vector en un valor determinado de ω. Las proyecciones de G(jω) en los ejes real e imaginario son sus componentes real e imaginaria. La magnitud y el ángulo de fase de G(jω) deben calcularse directamente para cada frecuencia ω con el propósito de construir trazas polares.

Conceptualmente, el diagrama de Nyquist se traza sustituyendo los puntos del “contorno” que encierra el semiplano derecho, en la función G(s)H(s). Este proceso se llama mapeo (mapping):

null

Consideremos el sistema de control a lazo cerrado de la Figura 1:

null

Figura 1

Thus, in the Nyquist diagram, the contour that encloses the right half-plane, shown in Figure 2, can be mapped through the function G(s)H(s), derived from Figure 1,  by substituting points along the contour into G(s)H(s):

null

Figura 2

Entonces, en el Diagrama de Nyquist, el contorno que encierra el semiplano derecho, que se muestra en la Figura 2, puede mapearse a través de la función G(s)H(s), derivada de la Figura 1, sustituyendo puntos a lo largo del contorno en la función G (s) H ( s).

Estabilidad vía el Diagrama de Nyquist

If a contour, A, that encircles the entire right half-plane of the root-locus of the system determined by the characteristic equation 1+ G(s)H(s), is mapped through G(s)H(s), then the number of closed-loop poles, Z, in the right half-plane equals the number of open-loop poles, P, that are in the right half-plane minus the number of counterclockwise revolutions, N, around -1 of the mapping; that is, Z:

Si un contorno, A, que rodea todo el semiplano derecho del lugar de raíces del sistema determinado por la ecuación característica 1+ G(s)H(s), se mapea a través de G(s)H(s), entonces el número de polos del sistema a lazo cerrado, Z, en el semiplano derecho, es igual al número de polos del sistema a lazo abierto, P, que están en el semiplano derecho menos el número de revoluciones en sentido antihorario, N, alrededor de -1+j0 del plano complejo ; es decir, Z:

null

Por tanto, para lograr un sistema estable a lazo cerrado, Z debe ser igual a cero.

Este “mapping” es llamado El Diagrama de Nyquist , o Nyquist plot, de G(s)H(s). Para más información y ejemplos ver: Criterio de Nyquist para estabilidad

Ejemplo 

Considere el sistema de control cuyo esquema y diagrama de bloques se muestran en la siguiente Figura 3:

null

Figura 3

Conceptualmente, el diagrama de Nyquist se representa sustituyendo los puntos del contorno que se muestran en la Figura 4(a) en G(s)H(s):

null

Cada Polo y cada Zero de G(s)H(s) que se muestra en la Figura 3(b) es un vector en la Figura 4(a) y 4(b). El vector resultante, , encontrado en cualquier punto a lo largo del contorno, es en general el producto de los vectores Zero dividido por el producto de los vectores Polo (ver Figura 4 (c)). Por lo tanto, la magnitud de la resultante es el producto de las longitudes Zero dividido por el producto de las longitudes de los Polos, y el ángulo de la resultante es la suma de los ángulos Zero menos la suma de los ángulos de los Polos.

null

Figura 4

El mapeo del punto A al punto C también puede explicarse analíticamente. Desde
A a C, la colección de puntos a lo largo del contorno es imaginaria. Por lo tanto, de A a C,
G(s)H(s)=G(s)*1=G(s)=G(jω), o de la Figura 3(b):

null

A frecuencia igual cero:

null

Por lo tanto, el diagrama de Nyquist comienza en 50/3 en un ángulo de . A medida que ω aumenta, la parte real sigue siendo positiva, y la parte imaginaria sigue siendo negativa.

En null la parte real se vuelve negativa. En null, el diagrama de Nyquist cruza el eje real negativo ya que el término imaginario va a cero. El valor real en el cruce del eje, punto Q en la Figura 4 (c), es -0.874. Continuando hacia, la parte real es negativa, y la parte imaginaria es positiva. A frecuencia infinita:

null

o cero a los 90°. aproximadamente.

Alrededor del semicírculo infinito desde el punto C hasta el punto D que se muestra en la Figura 4(b), los vectores giran en sentido horario, cada uno 180°. Por lo tanto, la resultante sufre una rotación en sentido antihorario de 3×180, comenzando en el punto C’ y terminando en el punto D’ de la Figura 4 (c).

Diagrama de Nyquist con Matlab

Considere la siguiente función de transferencia a lazo abierto:

null

Para elaborar el Diagrama de Nyquist, podemos utilizar los siguientes comandos en el command window de Matlab:

>> s=tf(‘s’)

>> G=1/(s^2+0.8*s+1)

>> nyquist(G)

Esta línea de comandos genera la siguiente gráfica:

null

Podemos obtener información sobre puntos de interés en el diagrama de Nyquist haciendo clik una vez sobre el punto de interés en el contorno:

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Análisis de sistemas de control, Función de Transferencia, Sin categoría, Variables de estado

Converting a Transfer Function to State Space representation

To convert a transfer function into state equations in phase variable form, we first convert the transfer function to a differential equation by cross-multiplying and taking the inverse Laplace transform, assuming zero initial conditions. Then we represent the differential equation in state space in phase variable form. An example illustrates the process.

Example 1

Find the state-space representation in phase-variable form for the transfer function shown in Figure (1):

null
Figure 1

Step 1. Find the associated differential equation:

null

Cross-multiplying yields:

null

The corresponding differential equation is found by taking the inverse Laplace  Transform, assuming zero initial conditions:

null

Step 2. Select the state variables. Choosing the state variables as successive derivatives, we get:

null

Using this notation, we can rewrite equation (1) as:

null

Step 3. Differentiating both sides of the last equations, we must find _x1 and _x2, then we use Eq. (2) to find x3. Proceeding in this way we obtain the state equations. Since the output is c=x1, the combined state and output equations are:

null

Step 4. Expressing the last equations in vector-matrix form, we get the state-space representation of the system as:

null

At this point, we can create an equivalent block diagram of the systemof Figure 1(a) to help visualize the state variables.We draw three integral blocks as shown in Figure 1(b) and label each output as one of the state variables, xi(t), as shown.

A transfer function with a polynomial in s in the numerator

The transfer function of the previous Example has a constant term in the numerator. If a transfer function has a polynomial in s in the numerator that is of order less than the polynomial in the denominator, as shown in Figure 2(a), the numerator and denominator can be handled separately. First separate the transfer function into two cascaded transfer functions, as shown in Figure 2(b); the first is the denominator, and the second is just the numerator. The first transfer function with just the denominator is converted to the phase-variable representation in state space as demonstrated in the last example. Hence, phase variable x1 is the output, and the rest of the phase variables are the internal variables of the first block, as shown in Figure 2(b).

null

Figure 2

The second transfer function with just the numerator yields:

null

Where, after taking the inverse Laplace transform with zero initial conditions, we obtain:

null

But the derivative terms are the definitions of the phase variables obtained in the
first block. Thus, writing the terms in reverse order to conform to an output equation, we obtain:

null

Hence, the second block simply forms a specified linear combination of the state
variables developed in the first block.

From another perspective, the denominator of the transfer function yields the
state equations, while the numerator yields the output equation. The next example
demonstrates the process.

Example 2

Find the state-space representation of the transfer function shown in
Figure 3(a).

null

Step 1. Separate the system into two cascaded blocks, as shown inFigure 3(b).The
first block contains the denominator and the second block contains the numerator.

Step 2. Find the state equations for the block containing the denominator. We notice that the first block’s numerator is 1/24 that of Example 1. Thus, the state equations are the same except that this system’s input matrix is 1/24 that of Example 1.

Step 3. Introduce the effect of the block with the numerator. The second block of
Figure 3(b) yields:

null

Taking the inverse Laplace transform with zero initial conditions, we get:

null

But:

null

Hence:

null

Thus, the last box of Figure 3(b) ‘‘collects’’ the states and generates the output equation:

null

Although the second block of Figure 3(b) shows differentiation, this block was implemented without differentiation because of the partitioning that was applied to the transfer function. The last block simply collected derivatives that were already formed by the first block.

Thus, the full state-space representation of the system is:

null

Once again we can produce an equivalent block diagram that vividly represents
our state-space model:

null

Sources:

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

 

Literature review by:

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