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

Te puede interesar también:

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Función de Transferencia, Respuesta en el tiempo

FT a partir de la respuesta al escalón unitario de un sistema de primer orden

Sea una planta cuyo comportamiento se modela como un sistema de primer orden. La respuesta de todo el sistema controlado frente a un escalón unitario es la representada en la siguiente figura:

null

Esta planta es controlada mediante un regulador P, cuya ganancia vale 13.37, y el sistema  tiene  realimentación unitaria.

Se pide determinar:

  1. La función de transferencia de la planta.
  2. Se sustituye el controlador proporcional por uno integral, y en el lazo de realimentación se introduce un sensor cuya ganancia estática es 1.1 y cuya constante de tiempo es 1.02 s. Determinar el máximo valor que puede tomar la ganancia del controlador para que el sistema sea estable.

Respuesta:

Debido a que el sistema se comporta como un sistema de primer grado, podemos suponer que la función de transferencia de dicho sistema es de la forma siguiente:

null

La constante de tiempo T es el tiempo en que el sistema alcanza un 63.2% de su valor final. De acuerdo con la gráfica de la respuesta del sistema a la entrada escalón unitario, este valor final es de 0.89, por lo tanto, T es el tiempo en que el sistema alcanza el valor de 0.562:null

null

En la gráfica anterior podemos ver que el valor de 0.562 se logra aproximadamente a los 0.36 s. Entonces:

null

En la función de transferencia predeterminada para el sistema:

null

La variable a se relaciona con la constante de tiempo T de la manera siguiente:

null 

Para encontrar la constante K debemos considerar que analíticamente la respuesta del sistema a la función escalón es como sigue:

null

La antitransformada de Laplace de C(s) nos permite obtener c(t):

null

La ecuación para c(t) nos permite ver que el valor final de la respuesta del sistema es k/a. De la gráfica podemos afirmar entonces que:

nullEs decir:

null

De esta manera podemos afirmar que la función de transferencia del sistema es:

null

Este resultado lo podemos corroborar con la siguiente simulación:

>> Gs=tf([2.47],[1 2.78]);

>> step(Gs)

null

La planta es controlada mediante un regulador P, de ganancia k1=13.37, y realimentación unitaria. Ambos componentes se pueden representar mediante el siguiente diagrama de bloque:

null

Es decir:

null

Dónde:

null

Entonces:nullDe donde:

null

En definitiva, la función de transferencia de la planta es:

null

2da parte

Se sustituye el controlador proporcional por uno integral, y en el lazo de realimentación se introduce un sensor cuya ganancia estática es 1.1 y cuya constante de tiempo es 1.02 s. Determinar el máximo valor que puede tomar la ganancia del controlador para que el sistema sea estable.

Respuesta 2:

La nueva situación se representa mediante el siguiente diagrama de bloques:

null

Dónde:

null

La función de transferencia del lazo realimentado es:

null

La función de transferencia del sistema en su totalidad es:

null

Para estudiar la estabilidad del sistema nos enfocamos en su ecuación característica para aplicar el criterio de Routh-Hurwitz:

null

Para lograr estabilidad deben cumplir estas dos condiciones:

null

Del análisis de estabilidad del sistema concluimos que el valor máximo de la constante del controlador integral para garantizar estabilidad es 13.14.

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Análisis de sistemas de control, Variables de estado

Ejemplo de la representación en espacios de estados de y(t) a partir la función de transferencia

Obtener la representación en espacio de estados  de y(t)  a partir de la función de transferencia Y(s)/U(s):

null

HallaPara obtener la representación en espacios de estados del sistema utilizamos la expresión para Y(s)/U(s) de la siguiente manera:

Representamos este sistema mediante el siguiente diagrama de bloques:

null

Dónde:

null

Al aplicar la antitransformada de Laplace obtenemos:

null

Asignamos las siguientes variables de estado:

null

Sustituimos:

null

Además vemos que:

null

De esta manera, la primera parte de la representación en espacios de estados del sistema es:

null

Para determinar el resto de la representación tomamos en cuenta que:

null

Al aplicar la antitransformada de Laplace obtenemos que:

null

Al sustituir las variables de estado ya definidas obtenemos que:

nullPor lo tanto, la salida y(t)  a partir del espacio de estados es:

null

2. Graficar y(t) en Matlab y explicar a partir de la gráfica la estabilidad del sistema.

Para graficar y(t) para una entrada escalón unitario utilizamos la función de transferencia y el siguiente comando en Matlab:

>> sys=tf([1 3 7],[1 6 9 4]);

>> step(sys)

Así obtenemos:

null

En la gráfica anterior podemos ver claramente que el estado final del sistema es estable, ya que el valor de la salida y(t) se estabiliza en:

null

El valor final, o valor en estado estable, para y(t), y el tiempo de establecimiento en t=5.76 s, se pueden comprobar en la gráfica siguiente:

null

Además se le puede preguntar a la cónsola de Matlab si el sistema es estable mediante el siguiente comando (el número 1 significa verdadero):

>> isstable(sys)

ans = 1

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Análisis de sistemas de control, Función de Transferencia, Transformada de Laplace

Expansión en fracciones parciales – Solución y(t) a partir de la función de transferencia – ejemplo

Hallar la solución y(t) a partir de la función de transferencia Y(s)/U(s) para una entrada escalón:null

Para hallar y(t) utilizaremos el método de expansión en fracciones parciales. El primer paso es presentar a Y(s)/U(s) en su forma factorizada:

null

La expansión en fracciones parciales es como sigue:

nullDónde:nullPor lo tanto:

null

Para calcular k21 primero derivamos:

nullPor lo tanto:

nullDe esta manera, Y(s)/U(s) se puede escribir como:

null

Al aplicar la antitransformada a la ecuación anterior, obtenemos que:

null

En consecuencia, y(t) para una entrada escalón es:

null

2. Graficar y(t) en Matlab y explicar a partir de la gráfica la estabilidad del sistema.

Para graficar y(t) para una entrada escalón unitario utilizamos la función de transferencia y el siguiente comando en Matlab:

>> sys=tf([1 3 7],[1 6 9 4]);

>> step(sys)

Así obtenemos:

null

En la gráfica anterior podemos ver claramente que el estado final del sistema es estable, ya que el valor de la salida y(t) se estabiliza en:

null

El valor final, o valor en estado estable, para y(t), y el tiempo de establecimiento en t=5.76 s, se pueden comprobar en la gráfica siguiente:

null

Además se le puede preguntar a la cónsola de Matlab si el sistema es estable mediante el siguiente comando (el número 1 significa verdadero):

>> isstable(sys)

ans = 1

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Análisis de circuitos eléctricos, Diagramas de bloques, Función de Transferencia, Ingeniería Eléctrica, Sin categoría

Problemas de Modelo de sistemas eléctricos en variable de estado, función de transferencia, diagrama de bloques, simulación en matlab-simulink

Modelo de sistemas eléctricos en Matlab. Para los circuitos de las Figuras 1, 2, 3 y 4, determinar:

  1. Modelo en espacio de estados
  2. Diagrama de bloques a partir del modelo en espacio de estados
  3. Función de transferencia a partir del modelo en espacio de estados
  4. Simular en Matlab – Simulink, según los siguientes estilos de simulación:
    • Diagrama de bloques
    • El modelo en espacio de estados
    • Las funciones de transferencia
    • Interpretar los resultados.

null

null

null

null

Respuesta:

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Problemas resueltos – Modelos de sistemas eléctricos

Observación: Pago por cuatro (4) ejercicios. Solicitar la entrega en PDF al whatsapp +34633129287

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Fuente:

  1. Introduccion-al-analisis-de-circuitos-robert-l-boylestad,
  2. Análisis de Redes – Van Valkenburg,
  3. Fundamentos_de_circuitos_electricos_5ta
  4. Fundamentos_de_Señales_y_Sistemas_usando la Web y Matlab

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Análisis de circuitos eléctricos, Función de Transferencia, Ingeniería Eléctrica

Examen resuelto -Función de transferencia de red eléctrica, diagrama de bloques/flujo, Mason.

Considerando el circuito de la Figura 1 determinar:

a) Las ecuaciones del sistema utilizando la transformada de Laplace; b) Bloques equivalentes a cada ecuación; c) Diagrama de Bloques del Circuito Completo; d) Diagrama de flujo; e) Función de Transferencia Vc3(s)/V(s):

null

Figura 1

Respuesta:

Te recomiendo además: Función de transferencia de sistema eléctrico – Problemas resueltos – Catálogo 5

SIGUIENTE:

Fuente:

  1. Introduccion-al-analisis-de-circuitos-robert-l-boylestad,
  2. Análisis de Redes – Van Valkenburg,
  3. Fundamentos_de_circuitos_electricos_5ta
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Análisis de sistemas de control, Variables de estado

Ejercicio de variables de estado – circuito eléctrico

Calcular el modelo en variables de estado del circuito de la Figura 1, considerando las variables de estado x1=i y x2=Vs, la señal de entrada u=Vi, la salida y=Vs.

null

Figura 1

Determinar la representación en el espacio de estados considerando las siguientes variables de estado:

null

La entrada y la salida del sistema son respectivamente:

nullRespuesta:

null

Derivamos las siguientes ecuaciones a partir de las variables de estado definidas:

null

Despejamos en las ecuaciones 1 y 2 el equivalente a las ecuaciones anteriores, y sustituimos las variables de estado:

null

Por otra parte, la salida es:

null

En definitiva, utilizando las ecuaciones (3),(4) y (5) la representación en espacio de estados del sistema es:

null

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Análisis de sistemas de control, Convolución - respuesta al impulso

La respuesta al impulso, la salida y la integral de Convolución de un sistema LIT

Sea T la salida de un sistema LIT (lineal e invariante en el tiempo) continuo en el tiempo, la respuesta al impulso h(t) de este sistema se define como la salida del sistema a la entrada impulso  (delta de Dirac):

null

Propiedad de muestreo del impulso

Para comprender la función de la función impulso en el análisis de señales es menester estudiar primero su propiedad de muestreo. Se puede demostrar que cualquier entrada x(t) se puede representar como:

null

La ecuación (2) es una de las aplicaciones más importantes de la función impulso. Hace posible representar cualquier función continua x(t)  en el tiempo como una sucesión continua de impulsos.

null

De esta manera, la ecuación (2) representa a x(t)  como la suma (integral) de una serie de impulsos continuos, donde la magnitud de cada impulso es igual al valor de la función en este instante (propiedad de muestreo). Se utiliza entonces la función impulso para muestrear la función x(t). Además, las propiedades de la función impulso que aparecen en la Tabla 1, serán muy utilizadas en el procesamiento de señales y el análisis de sistemas lineales:

null

TABLA 1

Respuesta de un sistema a cualquier entrada

Haciendo uso de las ecuaciones (1) y (2), podemos ahora derivar una expresión para la salida de un sistema a cualquier entrada arbitraria. Puesto que el sistema es lineal, la respuesta y(t) del sistema a cualquier entrada arbitraria x(t) puede expresarse como:

null

Ya vimos que la respuesta al impulso se define como:

null

Sustituyendo este desplazamiento en la ecuación (3) obtenemos que:

null

La ecuación (4) pone de manifiesto que, por medio de la respuesta al impulso, se puede obtener la salida y(t) de un sistema para cualquier entrada x(t). En otras palabras, la respuesta al impulso caracteriza completamente al sistema….De hecho, la función de transferencia del sistema es igual a la transformada de Laplace de la respuesta al impulso..Nota importante: Observe la redundancia de decir que, si x(t) es un impulso unitario, entonces, para un sistema LIT, y(t) = h(t).

La ecuación (4) es conocida como la integral de convolución o la integral de superposición para un sistema LIT en términos de su respuesta al impulso, y también se puede representar simbólicamente como:

null

null

Respuesta al impulso a partir de la respuesta al escalón unitario

Nota importante: Existen varios métodos para obtener la respuesta al impulso de un sistema. Por su simplicidad, uno de los que se utiliza con mayor frecuencia es obtener dicha respuesta a partir de la respuesta al escalón unitario u(t), ya que, como reza la propiedad 4 de la Tabla 1:

nullEjemplo:

Supóngase que la respuesta de un sistema al escalón unitario (step), es yu(t):

nullEntonces h(t):

null

Operación de la integral de convolución

Antes de aplicar la ecuación (4) para obtener la salida de un sistema mediante la integral de convolución, se debe decidir que es más fácil obtener….h(t-τ) ó x(t-τ)  . Porque:

null

Una vez decidido sobre este asunto (supóngase que se decide por la primera opción), la integral de convolución involucra cuatro pasos:

  1. La respuesta al impulso h(τ) se invierte en el tiempo (se refleja en el origen) para obtener h(-τ). Después se desplaza en t para formar h(t-τ), la cual es una función de τ  con parámetro t;
  2. Las señales x(τ) y h(t-τ) se multiplican entre sí para todos los valores de  con la t fija para algún valor;
  3. El producto x(τ)h(t-τ) se integra sobre todas las τ para producir un único valor de salida y(t);
  4. Se repiten los pasos 1 al 3 a medida que t varía en el intervalo de [-∞,+∞], para producir la salida completa y(t).

Ejemplo:

  1. Las funciones de respuesta al impulso h(t) y la entrada x(t) de un sistema, están dadas por:

null

Determinar:

  1. La salida y(t) por ambos métodos:

Solución:

null

  1. Las funciones de respuesta al impulso h(t) y la entrada x(t) de un sistema, están dadas por:

null

Determinar:

  1. La salida y(t):

nullSolución:

null

  1. Las funciones de respuesta al impulso h(t) y la entrada x(t) de un sistema, están dadas por:

null

Determinar:

  1. La salida y(t) por métodos analíticos y por método gráfico:

Solución:

Podemos expresar las funciones de la siguiente manera:

null

Analíticamente:

null

Gráficamente:

null

null

  1. Considere un sistema LIT cuya respuesta a la entrada escalón está dada por:

null

Determinar la salida y(t) para la siguiente entrada:

nullSolución:

Podemos expresar x(t) como:

null

Puesto que el sistema es lineal e invariante en el tiempo, la salida y(t)  se obtiene directamente como:

null

null

5. La señal x1(t) de la figura se hace pasar a través de un sistema LTI cuya respuesta al impulso es h(t).

Convolución en matlab

¿Cuál debe ser el valor del parámetro ‘a’ para que el valor máximo de la salida del sistema esté en el instante t=3? Dibuje el resultado de la convolución para dicho valor

null

null

null

Para ver la respuesta en matlab visitar: Convolución de un señal con su respuesta al impulso – Ejemplo en Matlab

6. Para las siguientes respuestas al impulso, determinar la salida.

null

 

Fuente:

  • Nota 7 Respuesta Impulsiva Sistema Continuo
  • Shaum – Señales y Sistemas

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Análisis de sistemas de control, Diagrama de Bode

Respuesta forzada a una entrada exponencial utilizando el Diagrama de Bode

Si la respuesta libre (respuesta natural u homogénes) tiende a cero (circuito estrictamente estable), en régimen permanente sólo queda la componente forzada. La respuesta forzada a una excitación sinusoidal (o salida en régimen permanente sinusoidal en circuitos estrictamente estables) es la sinusoide de la entrada amplificada y desfasada, como se puede ver en la Figura 1:

null

Figura 1

Suponga un sistema con función de transferencia H(s), entrada X(s) y salida Y(s), representado mediante el  diagrama de bloques de la Figura 2:

null

Figura 2

De la Figura 2 sabemos que:

null

Entonces, ¿Cuál será entonces la respuesta forzada a una excitación exponencial? Razonamos de la siguiente manera analítica:

nullPor tanto:nullUtilizando la ecuación (1) entonces:null

Utilizando la técnica de expansión en fracciones simples vemos que:

null

Vemos en la ecuación anterior que la respuesta forzada Yf(s) es:

null

Al hacer la antitransformada de la respuesta forzada Yf(s), obtenemos que yf(t) es:

null

La ecuación (2) confirma que la respuesta forzada a una excitación sinusoidal  es la sinusoide de la entrada amplificada en H(so) (la función de transferencia evaluada en so).

¿Qué pasa si tomamos valores complejos para K y argumento imaginario puro para la exponencial?

Razonamos de la siguiente manera analítica:

null

Aplicando el mismo procedimiento obtenemos que en este caso la respuesta forzada yf(t)  es:

null

Dónde:

null

La ecuación para yf(t) confirma que la respuesta forzada a una excitación sinusoidal  es la sinusoide de la entrada amplificada en H(jω) y desfasada en <H(jω).

Estos últimos, el módulo y la fase, son los elementos de un diagrama de Bode de la función de transferencia del sistema. Por lo tanto, conociendo la función de entrada x(t) y disponiendo del diagrama de Bode de la función de transferencia de dicho sistema, podemos obtener la respuesta forzada yf(t) del sistema a la entrada x(t).

Ejemplo:

Disponiendo del siguiente Diagrama de Bode de la función de transferencia de un sistema, así como de la entrada a dicho sistema, determinar la respuesta forzada por esta entrada.

null

nullRespuesta:nullDónde:null

Ya que:nullEntonces:

nullPodemos ver en el diagrama de Bode que:

null

nullPor lo tanto:nullEs decir:null

Te puede interesar:

Fuentes:

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

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Diagrama de Bode

Formulario de examen resuelto – Diagrama de Bode

  1. Determinar el valor de la constante K en la función de transferencia T(jω) para obtener el diagrama de Bode de la Figura:

null

Respuesta:

null

Podemos comprobar este resultado en Matlab mediante:

>> G=tf([1 10],[1 100]);

>> sys=1.9275*G;

>> bode(sys)

null

2. En base al diagrama siguiente, indica si el sistema de control en lazo cerrado con realimentación unitaria es estable.

null

Respuesta:

Se utiliza el siguiente criterio:

null

Vemos en el diagrama de Bode el sector rodeado por las líneas negras, la ganancia es positiva mientras que la fase es negativa con un valor entre -180° y  -270°:

null

Podemos concluir que el sistema es inestable.

3. Disponiendo del siguiente Diagrama de Bode de la función de transferencia de un sistema, así como de la entrada a dicho sistema, determinar la respuesta forzada por esta entrada.

null

nullRespuesta:nullDónde:null

Ya que:nullEntonces:

nullPodemos ver en el diagrama de Bode que:

null

nullPor lo tanto:nullEs decir:null

Basado en: Respuesta forzada a una entrada exponencial utilizando el Diagrama de Bode

4. Sea el siguiente diagrama de Bode, determinar una posible función de transferencia.

null

Respuesta:

The logarithmic amplitude frequency characteristic (LAFC) of Figure 1 shown that:nullsuggesting that the transfer function of this system has a factor (jω), a zero in the origin. The slope of the logarithmic magnitude curve for this factor is n. If  n=1 , we get a slope of 20 db/dek and we get the straight line of Figure 1, approximately from ω=0.1  to ω=10, including the fact that the magnitude is zero at ω=1.

Then the LAFC shown a straight line of slope equal to zero from ω=10  to ω=100, suggesting that a subtraction of slopes have happened at ω=10. That is possible if the transfer function has a factor 1/(1+jωT1), where ω=1/T1  is the corner frequency. The factor 1/(1+jωT1)  has a slope of 20 db/dek from ω=10 and on. Thus, we get a slope equal to zero from ω=10.

Finally, the LAFC shown a straight line of slope equal to 20 db/dek  from ω=100  and on. Clearly, a new subtraction of slopes have happened at ω=100. Thus, the transfer function has a second factor 1/(1+jωT2), where ω=1/T2  is the corner frequency.

Thus, the possible transfer function is as follows:

nullWhere:

null

Replacing these values and , we get:

null

We can corroborate this result by applying the following commands in the Command Window of Matlab and matching this result to the original curve:

>> s=tf(‘s’);

>> G=1000*s/((s+10)*(s+100));

>> bode(G)

null

null

Fuentes:

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

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