UNIVRSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA "ANTONIO JOSÉ DE SUCRE" VICE-RECTORADO BARQUISIMETO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA SISTEMAS DE CONTROL ( Transparencias de clases ) Noviembre, 2000 Realizado por: Ingo. TEODORO PÉREZ ESCOBAR M.Sc. en Ingeniería Electrónica Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar TEMA No. 1 FUNDAMENTOS Y MODELOS MATEMÁTICOS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 1 SISTEMA: combinación de componentes que actúan conjuntamente y cumplen un determinado objetivo. Ejemplos: Sistemas físicos Sistemas biológicos Sistemas económicos . . . SEÑAL: estímulo externo o interno a un sistema que generalmente condiciona su comportamiento. Matemáticamente la señal se representa como una función de una o más variables independientes. Generalmente la variable independiente es el tiempo. SEÑAL DE TIEMPO CONTINUO: la señal que asume valores en todo instante de tiempo. SEÑAL DE TIEMPO DISCRETO: la señal toma valores en determinados instantes de tiempo. SISTEMA DE TIEMPO CONTINUO: sistema donde todas las señales son de tiempo continuo. SISTEMA DE TIEMPO DISCRETO: sistema que presenta al menos una señal de tiempo discreto. SISTEMA DIGITAL: sistema discreto donde alguna de las señales discretas está codificada digitalmente. Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 2 SISTEMA DE CONTROL: es un arreglo de componentes físicos, conectados de tal forma, que dicho arreglo puede regular o dirigir a sí mismo o a otro sistema. ENTRADA DE UN SISTEMA DE CONTROL ( Punto de Control ) : es un estímulo o excitación que se aplica a un sistema de control desde una fuente de energía externa, generalmente con el fin de producir, de parte del sistema de control, una respuesta específica. SALIDA DE UN SISTEMA DE CONTROL ( Variable Controlada ) : es la respuesta obtenida del sistema. Puede ser, o no, igual a la respuesta específica que la entrada implica. PERTURBACIÓN: es una señal que tiende a afectar adversamente el valor de la salida de un sistema. Puede ser INTERNA si es originada por un componente del sistema, o EXTERNA si es originada por una fuente externa. PLANTA: es el objeto físico que ha de ser controlado. PROCESO: es la operación que se va a controlar. CONTROLADOR: son los componentes requeridos para generar la señal de control (Variable Manipulada ) apropiada que se aplica a la Planta. ACCIÓN DE CONTROL: es la señal que se aplica al controlador. REALIMENTACIÓN: es la propiedad de un sistema (de Lazo cerrado) que permite que la salida sea comparada con la entrada de tal manera que se pueda establecer la acción de control apropiada como función de la entrada y la salida. Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 3 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 4 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 5 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 6 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar TERMINOLOGÍA DE LOS DIAGRAMAS DE BLOQUES. FORMA GENERAL DE UN SISTEMA DE CONTROL DE LAZO CERRADO r(t) ≡ entrada c(t) ≡ salida m(t) ≡ señal de control e(t) ≡ acción de control o señal de error b(t) ≡ salida de realimentación primaria 7 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL. DE ACUERDO A SU NATURALEZA Hechos por el hombre Naturales Híbridos DE LAZO ABIERTO: la acción de control es independiente de la salida DE ACUERDO A LA ACCION DE CONTROL DE LAZO CERRADO: la acción de control es en cierto modo dependiente de la salida OTRAS CLASIFICACIONES Lineal No - lineal (*) Invariante en el tiempo (*) Variante en el tiempo Con memoria Sin memora Causal No causal Estable Inestable Determiní stico Aleatorio (*) 8 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL. SISTEMA DE CONTROL DE LAZO ABIERTO SISTEMA DE CONTROL DE LAZO CERRADO 1) La exactitud depende de la calibración de sus componentes. 1) Aumento de la exactitud. 2) No tienen problemas de inestabilidad. 2) Tendencia a la oscilación. 3) Sensible a las perturbaciones. 3) Poco sensible a las perturbaciones. 4) Diseño más sencillo. 4) Más costoso en el diseño. 5) Más rápidos. 6) Reducción de la no-linealidad y de la distorsión. SERVOMECANISMO: es un sistema de control cuya salida es una posición mecánica o una derivada de la posición ( velocidad, aceleración, etc. ). 9 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar MODELO MATEMÁTICO DE UN SISTEMA: Conjunto de ecuaciones que describe la relación entre las señales del sistema. Representación externa Tipos de Modelos Matemá ticos Representación interna. Representación Externa: Describe la relación entre las señales de entrada y salida del sistema. ECUACIONES DIFERENCIALES ECUACIONES EN DIFERENCIA Modelo en el dominio del tiempo CONVOLUCION Transformada de Laplace FUNCION DE TRANSFERENCIA Transformada de Fourier (función de una variable compleja) Transformada Z (Modelo en el dominio de la Frecuencia) Transformada Discreta de Fourier Representación Interna: Describe la relación entre las señales de entrada y salida y el estado de un sistema. Se utiliza un conjunto de variables (de estado) que describe el comportamiento interno del sistema. 10 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar SISTEMA LINEAL: Aquel que cumple con el principio de superposición: α , β = constantes SISTEMA NO LINEAL: No cumple el principio de superposición. 11 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 12 LINEALIZACIÓN DE UN MODELO MATEMÁTICO NO LINEAL: y( t ) = f [ x( t )] Condición NORMAL de operación ( x0 , y0 ) (Punto de Operación) SERIE DE TAYLOR o oo y = f ( x ) = f ( x0 ) + f ( x0 ) ⋅ ( x − x0 ) + f ( xo ) ⋅ ( x − x0 ) 2 2! Si (x - x0 ) es pequeño: o y ≈ f ( x0 ) + f ( x0 ) ⋅ ( x − x0 ) o y − y0 ≅ f ( xo ) ⋅ ( x − xo ) ∆y ≅ k ⋅ ∆x ∆y = y − y 0 = y δ Variables de desviación ∆x = x − x o = x δ + Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar SISTEMA INVARIANTE EN EL TIEMPO: SISTEMA CAUSAL: La salida en cualquier instante t0 depende únicamente de los valores de la entrada para t<t0. SISTEMA ESTABLE (ESTABILIDAD BIBO) : ( Bounded-Input Bounded-Output ) El sistema es estable Si para x( t ) 〈 B 1 〈∞ implica Entrada Limitada y( t ) 〈 B 2 〈∞ Salida Limitada para todo t RESPUESTA DE UN SISTEMA LINEAL: y( t ) = ∫−∞ x( τ ).h( t − τ )dτ ∞ Integral de convolución y( t ) = x( t )∗ h( t ) Si una o ambas señales a convolucionar están limitadas en tiempo, generalmente es útil la convolución en forma gráfica. 13 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar Leyes de la convolución: 1) CONMUTATIVA: f1 ( t )* f 2 ( t ) = 2) DISTRIBUTIVA: f1 ( t )* [ f 2 ( t ) + f 3 ( t )] = 3) ASOCIATIVA: f1 ( t )* [ f 2 ( t )* f 3 ( t )] = f 2 ( t )* f1 ( t ) f1 ( t )* f 2 ( t ) + f1 ( t )* f 3 ( t ) [ f ( t )* f (t )]* f ( t ) 1 2 3 Convolución de una función con la función impulso: 1) f ( x )* δ( x ) = ∫−∞ f ( τ ).δ( x − τ ). dτ = f ( x ) 2) f ( x )* δ( x − x1 ) = f ( x − x1 ) 3) f ( x − x1 )* δ( x − x 2 ) = f [ x − ( x1 + x 2 )] 4) ∞ −∞ δ( x − x1 )* δ( x − x 2 ) = δ[ x − ( x 1 + x 2 )] FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA DE UN ELEMENTO ( SISTEMA ): Es la transformada de Laplace de la respuesta del elemento (sistema) a la función impulso cuando se toman las condiciones iniciales como nulas. 14 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar Propiedades de la función impulso ( Delta de Dirac ) [ δ( t ) ] : a) ∫ ∞ −∞ δ( t ) ⋅ dt = 1 b ) δ( t ) → ∞ c ) δ( t ) = 0 para para t=0 t≠0 REPRESENTACIÓN DE UN ELEMENTO (SISTEMA) UTILIZANDO UN DIAGRAMA DE BLOQUES: c( t ) = r ( t )∗ g( t ) ó c( t ) = L−1 [ C( s)] = L−1 [ G ( s) ⋅ R ( s)] PASOS GENERALES PARA OBTENER LA FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA 1. Determinar la(s) ecuación(es) diferencial(es) que rige(n) al elemento o sistema 2. Aplicar Transformada de Laplace con condiciones iniciales = 0 3. Obtener la función de transferencia G(s) como el cociente C( s) R ( s) 15 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar MODELO MATEMÁTICO DE SISTEMAS MECÁNICOS LEY DE NEWTON a) MOVIMIENTO DE TRASLACIÓN: b) MOVIMIENTO DE ROTACIÓN: → → ∑f = m⋅ a ∑T = J ⋅ α ∩ ∩ ELEMENTOS MECÁNICOS IDEALES 16 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar MODELO APROXIMADO DE UN ENGRANAJE FÍSICO: n= N1 N2 J e = J 1 + J 2 . n2 Be = B1 + B2 . n2 TL′ = TL . n SERVOMOTORES DE CORRIENTE CONTINUA Diagrama Tm = K 1 ⋅ i f ⋅ i a o Vc = K c ⋅ θ Kc = constante de la fuerza contraelectromotriz Vc = fuerza contraelectromotriz 17 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar SERVOMOTOR DE C.C. CONTROLADO POR ARMADURA: Salida = θ Entrada = Va Km θ( s ) = Va ( s ) s ⋅ ( s ⋅ τ m + 1) Km = constante de ganancia del motor τ m Km = K R a ⋅ Be + K ⋅ K c τm = R a ⋅ Je R a ⋅ Be + K ⋅ K c = constante de tiempo del motor K = constante del par motor = K1. If ECUACIONES PARA LA DEMOSTRACIÓN DE LA FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA: Tm = K 1 ⋅ If ⋅ i a = K ⋅ i a o = ⋅ θ V K c c θ( s ) K ⇒ = di a Va ( s ) s[( R a + La ⋅ s) ⋅ ( J e ⋅ s + Be ) + K ⋅ K c ] Va = i a ⋅ R a + La ⋅ dt + Vc oo o J e ⋅ θ = Tm − Be ⋅ θ Normalmente R a 〉〉 L a ⋅ s ⇒ Km θ( s ) = Va ( s ) s ⋅ ( s ⋅ τ m + 1) 18 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 19 SERVOMOTOR DE C.C. CONTROLADO POR CAMPO: Entrada = Vf Salida = θ θ( s ) Km = Vf ( s ) s ⋅ ( s ⋅ τ f + 1) ⋅ ( s ⋅ τ m + 1) Km = Km = constante de ganancia del motor K = constante del par motor = K1. Ia K R f ⋅ Be τ τ ; τf = Lf Rf ; τm = Je Be f = constante de tiempo ( eléctrica ) m = constante de tiempo ( mecánica ) ECUACIONES PARA LA DEMOSTRACIÓN DE LA FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA: Tm = k1 ⋅ Ia ⋅ i f = K ⋅ i f θ( s ) di Km Vf = i f ⋅ R f + Lf ⋅ f ⇒ = dt Vf ( s ) s ⋅ ( s ⋅ τ f + 1) ⋅ ( s ⋅ τ m + 1) oo o J e ⋅ θ = Tm − Be ⋅ θ Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar FORMA GENERAL DE UN SISTEMA DE CONTROL DE LAZO CERRADO r(t) ≡ entrada c(t) ≡ salida m(t) ≡ señal de control e(t) ≡ acción de control o señal de error b(t) ≡ salida de realimentación primaria TRAYECTORIA DIRECTA: r(t) - e(t) - g1 (t) - m(t) - g2 (t) - c(t) TRAYECTORIA DE REALIMENTACIÓN: c(t) - h(t) - b(t) FORMA CANÓNICA DE UN SISTEMA DE CONTROL DE LAZO CERRADO G(s) ≡ función de transferencia DIRECTA H(s) ≡ función de transferencia de REALIMENTACIÓN G(s) .H(s) ≡ función de transferencia de LAZO ABIERTO C (s) / R(s) ≡ función de transferencia de LAZO CERRADO E(s) / R(s) ≡ razón de la señal de error 20 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 21 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 22 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 23 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar EJERCICIO: El sistema de la figura sirve para gobernar la posición de una carga mecánica. Las constantes del sistema son las siguientes: GANANCIA DEL AMPLIFICADOR DE C.C. = Inductancia de la armadura del motor: Resistencia de la armadura del motor: INERCIA DEL MOTOR : ROCE DEL MOTOR: ROCE DE LA CARGA: INERCIA DE LA CARGA: A La = despreciable Ra = 5 ohmios Jm = 1,36 . 10-3 N.m.s2 Bm = despreciable Bc = 0,136 N.m.s Jc = 0,136 N.m.seg2 RELACIÓN DE ENGRANAJES: CONSTANTE DEL PAR MOTOR: CONSTANTE DE F.C.E.M. : Alimentación de los potenciómetros: Angulo máximo de giro de los potenciómetros: n = N1 /N2 =1/10 K = 0,68 N.m/A Kc = 0,68 V.s/rad πV 180o DETERMINAR: a) b) Si Θc( s ) Θr ( s ) Θr ( t ) = U( t ) A = 15 hallar Θc( t ) para A = 200 A = 1500 24 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar RESPUESTA DEL SERVOMECANISMO A UN ESCALÓN: ORDEN DEL SISTEMA Si: G( s ) = P( s ) Q( s ) donde P(s) y Q(s) son polinomios en s Se dice que, EL ORDEN DEL SISTEMA = ORDEN DE Q(s) 25 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar GRÁFICO DE FLUJO DE SEÑAL ( DIAGRAMA DE FLUJO ) Diagrama que representa un conjunto de ecuaciones algebraicas lineales simultáneas Ecuaciones: i1 = V1 − V2 R2 V2 = i1 . R 3 − i 2 . R 3 i2 = V2 − V3 R1 V3 = i 2 . R 4 26 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 27 DEFINICIONES Nudo punto que representa una variable o señal. Transmitancia ganancia entre dos nudos. Rama segmento de línea con dirección y sentido que une dos nudos. Nudo de entrada nudo que solo tiene ramas que salen. Nudo de salida nudo que solo tiene ramas que entran. Nudo mixto nudo que tiene tanto ramas de entrada como ramas que salen. Camino o trayecto recorrido de ramas conectadas en el sentido de las flechas de las ramas. Camino abierto si no cruza ningún nudo mas de una vez. Camino cerrado (Lazo) si finaliza en el mismo nudo del cual partió, y no cruza otro nudo mas de una vez. Ganancia de lazo producto de las transmitancias de las ramas de un lazo. Lazos disjuntos lazos que no poseen nudos comunes. Trayecto directo trayecto de un nudo de entrada a un nudo de salida que no cruza ningún nudo mas de una vez. Ganancia de trayecto directo producto de las transmitancias de las ramas de un trayecto directo Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 28 PROPIEDADES DE LOS GRÁFICOS DE FLUJO DE SEÑAL 1. Una rama indica la dependencia funcional de un nudo respecto a otro. 2. Un nudo suma las señales de todas las ramas que entran y transmite esta suma a todas las ramas que salen. 3. Un nudo mixto puede ser considerado como un nudo de salida añadiendo una rama de transmitancia unitaria. 4. Para un sistema dado, el diagrama de flujo no es único. DEL DIAGRAMA DE BLOQUES AL DIAGRAMA DE FLUJO BLOQUE ---------------------------------------> RAMA FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA ------> TRANSMITANCIA DE LA RAMA SEÑAL ------------------------------------------> NUDO OBSERVACIONES: 1) Un punto de toma seguido de un punto de suma, se debe separar con una rama de ganancia unitaria. 2) Un punto de suma seguido de un punto de toma, se debe separar con una rama de ganancia unitaria. Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar ÁLGEBRA DE LOS DIAGRAMAS DE FLUJO 29 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar FORMULA DE GANANCIA DE MASON PARA LOS DIAGRAMAS DE FLUJO DE SEÑAL 1 n P = ∑ Pi ⋅ ∆ i ∆ i =1 n = No de trayectos directos Pi = ganancia del i-ésimo trayecto directo ∆=1 + + - ∑ (las ganancias de todos los lazos) + ∑ Π (las ganancias de 2 lazos disjuntos) + ∑ Π (las ganancias de 3 lazos disjuntos) + ∑ Π (las ganancias de 4 lazos disjuntos) + … ∆i = valor de ∆ cuando se hacen cero las ganancias de los lazos que tocan el i-ésimo trayecto directo. 30 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar EJEMPLO TRAYECTOS DIRECTOS LAZOS 31 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar MODELO DE LOS PROCESOS INDUSTRIALES BALANCE DE UNA CANTIDAD QUE SE CONSERVA : MASA O ENERGÍA Flujo de masa / energía de entrada al proceso Flujo de masa / energía de salida del proceso Tasa acumulada de masa / energía en el proceso Se debe utilizar casi todas las áreas de la Ingeniería de Proceso ( Ejemplo: la Termodinámica, la Transferencia de calor, flujo de fluidos, transferencia de masa e Ingeniería de Reacción ) 32 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 33 ANALOGÍA ELÉCTRICA DE SISTEMAS MECÁNICOS SISTEMA MECÁNICO o o o dx ∫ = + + . . . f m B x k x . dt dt ANALOGÍA FUERZA-TENSIÓN e = L. di 1 + i . R + . ∫ i . dt dt C ANALOGÍA FUERZA-CORRIENTE i = C⋅ de e 1 + + . ∫ e. dt dt R L f e i o x i e m L C B R 1/R k 1/C 1/L Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 34 PASOS PARA OBTENER EL CIRCUITO ELÉCTRICO ANÁLOGO A UN SISTEMA MECÁNICO. (ANALOGÍA FUERZA-CORRIENTE) 1) Plantear la RED MECÁNICA de la siguiente forma: a) Se representan las velocidades de los elementos mecánicos por puntos. b) Se conectan cada una de las masas, un extremo a su punto de velocidad correspondiente y el otro extremo a tierra común. c) Se conectan los otros elementos entre sus correspondientes puntos de velocidad. d) Se colocan generadores de fuerza (uno por cada fuerza de entrada), un extremo en el punto de velocidad donde se aplica y el otro a tierra común. e) Si aparecen velocidades como entradas, se procede al igual que en d), pero utilizando generadores de velocidad. 2) SE CAMBIAN LAS VARIABLES Y LOS ELEMENTOS MECÁNICOS POR SUS ANÁLOGOS ELÉCTRICOS. Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar TEMA No. 2 ANÁLISIS EN EL DOMINIO DEL TIEMPO 2 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 3 RESPUESTA DE UN SISTEMA: RESPUESTA ESTACIONARIA: es la salida del sistema cuando t→ →∞. es la salida del sistema cuando k→ →∞. [ lim c(t ) = lim s ⋅ C( s ) t→∞ s→ 0 ] z −1 ⋅ C(z) c(k.T) = lim lim z →1 z k →∞ RESPUESTA TRANSITORIA: aquella que va desde el estado inicial hasta el estado final. SEÑALES DE PRUEBA: SEÑAL ESCALÓN - SEÑAL RAMPA - SEÑAL PARABÓLICA SEÑAL IMPULSO - SEÑAL SENOIDAL CARACTERÍSTICAS MAS IMPORTANTES EN EL ANÁLISIS Y DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL a) ESTABILIDAD ABSOLUTA Sistema ESTABLE Sistema INESTABLE b) ESTABILIDAD RELATIVA c) ERROR ESTACIONARIO ( EXACTITUD ) d) RAPIDEZ Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar SISTEMA ESTABLE (ESTABILIDAD BIBO) : ( Bounded-Input Bounded-Output ) El sistema es estable Si para x( t ) 〈 B 1 〈∞ implica Entrada Limitada y( t ) 〈 B 2 〈∞ Salida Limitada para todo t ESTABILIDAD ABSOLUTA: Un sistema L.I.T., es ESTABLE si finalmente la salida retorna a su estado de equilibrio cuando el sistema es sometido a una perturbación. SISTEMA ⇔ POLOS DE LAZO CERRADO EN EL SEMIPLANO IZQUIERDO DE s DE CONTROL ESTABLE Un sistema L.I.T., es ⇔ POLOS DE LAZO CERRADO EN EL INTERIOR DEL CÍRCULO UNITARIO ( PLANO z ) INESTABLE si continúa indefinidamente una oscilación en la salida, o si la salida diverge sin límite de su estado de equilibrio cuando el sistema es sometido a una perturbación. 4 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar ESTABILIDAD ABSOLUTA SISTEMA DE CONTROL ESTABLE ⇔ POLOS DE LAZO CERRADO EN EL SEMIPLANO IZQUIERDO DE s MÉTODOS DE ANÁLISIS DE ESTABILIDAD Cálculo directo de los autovalores de la matriz A Cálculo directo de las raíces de la Ecuación Característica del Sistema Métodos basados en la Ecuación Característica del Sistema Hurwitz Routh-Hurwitz Lugar de las Raíces Criterio de Nyquist Método de Lyapunov Cálculo directo de los autovalores de la matriz A Ecuación Característica : s.I − A = 0 5 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 6 CRITERIO DE ESTABILIDAD ABSOLUTA DE ROUTH-HURWITZ ( Determinación de la cantidad de polos de Lazo Cerrado que están en el S.P.D. de s ) PROCEDIMIENTO: Dado C( s ) R ( s ) = P( s ) Q( s ) , donde P(s) = polinomio de grado m Q(s) = polinomio de grado n 1) Se dispone Q(s) de la siguiente forma: Q( s ) = a 0 ⋅ s n + a 1 ⋅ s n − 1 + a 2 ⋅ s n − 2 + + a n − 1 ⋅ s + a n = 0 ECUACIÓN CARACTERÍSTICA DEL SISTEMA an ≠ 0 2) Si: y a0 , a1 , a2 , …, an-1 , an ai < 0 [ No todos ] ó ai = 0 ⇒ son Reales ⇒ Hay Polos en el S.P.D. o hay polos sobre el eje imaginario 3) Construir la Tabla de Routh-Hurwitz 4) Todos los coeficientes de la primera columna son positivos Número de Polos en el S.P.D. de s = ⇒ Todos los polos de Lazo Cerrado están en el Semiplano Izquierdo de s Número de cambios de signo en la primera columna de la tabla de Routh-Hurwitz Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 7 TABLA DE ROUTH-HURWITZ: 1a COLUMNA ⇓ n s a0 a2 a4 a6 ... ⇐ aii= par sn-1 a1 a3 a5 a7 ... ⇐ aii=impar sn-2 b1 b2 b3 b4 ... sn-3 c1 c2 c3 c4 ... sn-4 d1 d2 d3 d4 ... s2 e1 e2 s1 f1 s0 g1 b1 = a1 ⋅ a 2 − a0 ⋅ a 3 a1 ; b2 = a1 ⋅ a4 − a0 ⋅ a5 a1 ; b3 = a1 ⋅ a6 − a0 ⋅ a7 a1 ... c1 = b1 ⋅ a 3 − a 1 ⋅ b 2 b1 ; c2 = b1 ⋅ a 5 − a 1 ⋅ b 3 b1 ; c3 = b1 ⋅ a 7 − a 1 ⋅ b 4 b1 ... d1 = c 1 ⋅ b 2 − b1 ⋅ c 2 c1 ; d2 = c 1 ⋅ b 3 − b1 ⋅ c 3 c1 ; ... Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 8 CASOS ESPECIALES DEL CRITERIO DE ROUTH-HURWITZ: 1er CASO: UN CERO EN LA PRIMERA COLUMNA ( LOS TÉRMINOS RESTANTES DE LA FILA NO SON TODOS CERO ) POLOS EN EL S.P.D. ó POLOS SOBRE EL EJE IMAGINARIO PROCEDIMIENTO: - Se remplaza el término cero por ε [ε > 0 , ε → 0] - Se utiliza el procedimiento general - Si el signo sobre ε es el mismo que está debajo de él → Hay pares de polos sobre el eje imaginario 2o CASO: TODOS LOS COEFICIENTES DE UNA FILA SON CEROS PARES DE POLOS REALES OPUESTOS Y/O PARES DE POLOS IMAGINARIOS CONJUGADOS Y/0 PARES DE POLOS COMPLEJOS CONJUGADOS CON PARTES REALES OPUESTAS PROCEDIMIENTO: - Se forma un polinomio auxiliar [Qa (s)]] ( de orden par ) con los coeficientes de la fila superior a la fila cero - Se usa los coeficientes de d[ Q a ( s)] ds en lugar de la fila cero - Se utiliza el procedimiento general - Polos que originan el caso = Raíces de Qa (s) = 0 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar ESTABILIDAD RELATIVA: La estabilidad relativa de un sistema ( estable ) es inversamente proporcional al porcentaje de sobreimpulso ( Mp ) generado por las oscilaciones amortiguadas de su salida. Mp = c( tp ) − c( ∞ ) × 100 % c( ∞ ) 9 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar RAPIDEZ La rapidez del sistema es inversamente proporcional al tiempo de crecimiento ( tr ). ERROR ESTACIONARIO Error estacionario = lim e(t) t →∞ Cuando el error estacionario es diferente de cero la salida estacionaria de un sistema no coincide con el valor deseado. lim e(t) = lim s ⋅ E(s) t →∞ s→0 10 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 11 TIPO DE UN SISTEMA. G( s ) ⋅ H( s ) = K ⋅ ( Ta ⋅ s + 1) ⋅ ( Tb ⋅ s + 1) ( Tm ⋅ s + 1) ( ) s N ⋅ ( T1 ⋅ s + 1) ⋅ ( T2 ⋅ s + 1) Tp ⋅ s + 1 K = ganancia de Lazo Abierto SISTEMA DE TIPO N COEFICIENTE DE ERROR ESTACIONARIO DE POSICIÓN (Kp) COEFICIENTE DE ERROR ESTACIONARIO DE VELOCIDAD (Kv) COEFICIENTE DE ERROR ESTACIONARIO DE ACELERACIÓN (Ka) K p = lim G(s) ⋅ H(s) K v = lim s ⋅ G(s) ⋅ H(s) K a = lim s 2 ⋅ G( s ) ⋅ H( s ) s→ 0 s→ 0 s→ 0 ERROR DE POSICIÓN ERROR DE VELOCIDAD ERROR DE ACELERACIÓN r ( t ) = R.U ( t ) r ( t ) = R.t ⋅ U ( t ) t2 r (t ) = R ⋅ U (t ) 2 e(∞ ) = E p = R 1+ Kp R R( s ) = s e(∞ ) = E v = R( s ) = R s2 R Kv e(∞ ) = E a = R( s ) = R s3 R Ka Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar G( s ) ⋅ H( s ) = 12 K ⋅ ( Ta ⋅ s + 1) ⋅ ( Tb ⋅ s + 1) ( Tm ⋅ s + 1) ( K = ganancia de Lazo Abierto TIPO DEL SISTEMA (N) Kp Kv Ka 0 K 0 0 1 ∞ K 0 2 ∞ ∞ K ≥3 ∞ ∞ ∞ R 1+ Kp R Kv R Ka TIPO DE SISTEMA (N) ERROR EN ESTADO ESTACIONARIO POSICIÓN 0 R 1+ K ) s N ⋅ ( T1 ⋅ s + 1) ⋅ ( T2 ⋅ s + 1) Tp ⋅ s + 1 VELOCIDAD ACELERACIÓN ∞ ∞ 1 0 R K ∞ 2 0 0 R K ≥3 0 0 0 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar SISTEMAS DE 1ER ORDEN: EJEMPLO: Para el sistema representado por el siguiente Diagrama de Bloques: Se pide: a) La función de transferencia de lazo cerrado b) La respuesta al escalón c) El análisis de Estabilidad Absoluta, Estabilidad Relativa, exactitud y rapidez para la respuesta al escalón d) La respuesta a la rampa e) El análisis de exactitud para la respuesta a la rampa 13 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar SISTEMA DE 2do. ORDEN: ω 2n C( s ) = R( s ) s 2 + 2 ⋅ ξ ⋅ ω n ⋅ s + ω n2 ω 2n C(s) = R(s) ( s − s1 ) ⋅ ( s − s 2 ) → s 1 = −ξ ⋅ ω n + ξ2 − 1 ⋅ ω n s 2 = −ξ ⋅ ω n − ξ2 − 1 ⋅ ω n RESPUESTA AL ESCALÓN: a) SISTEMA SOBREAMORTIGUADO (ξ 〉 1) : es 1 ⋅ t e s 2 ⋅ t ωn ⋅ U( t ) ⋅ c( t ) = 1 + − s 2 2 ⋅ ξ2 − 1 s 1 b) SISTEMA CRÍTICAMENTE AMORTIGUADO (ξ = 1) c( t ) = [1 − e−ωn ⋅ t ⋅ ( 1 + ω n ⋅ t )] ⋅ U( t ) c) SISTEMA SUBAMORTIGUADO ( ξ 〈 1) : − ξ2 e − ξ⋅ ω n ⋅ t −1 1 ⋅ senωd ⋅ t + tg c( t ) = 1 − ⋅ U( t ) ξ 1 − ξ2 ω d = ω n 1 − ξ2 14 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 15 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar PARÁMETROS MAS IMPORTANTES DE LA RESPUESTA TRANSITORIA DE UN SISTEMA DE 2do. ORDEN: Mp = c( t p ) − c( ∞ ) c( ∞ ) × 100 % = e − π ⋅ξ 1− ξ2 × 100 % 2 .π ⋅ ξ − B 2 × 100 % = e 1− ξ × 100 % Rs = A π π = tp = ωd ωn ⋅ 1 − ξ2 t s (±2%) = tr 4 ξ ⋅ ωn 1 − ξ2 π−β 1 −1 = = ⋅ tg ωd ωd −ξ 2 o cuadrante 16 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 17 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 18 SISTEMAS DE ORDEN SUPERIOR m C( s ) = Si K ⋅ ∏ ( s + zi ) i=1 q r "=1 K =1 ∏ ( s + p " ) ⋅ ∏ ( s + 2 ⋅ ξK ⋅ ω K ⋅ s + ω 2 2 K ) ⋅ R( s ) ; n=q +2⋅ r ( Polos y ceros diferentes) R(s) = 1 s a C( s ) = + s a" ∑ "=1 s + p " q + q r "=1 K =1 r ∑ b K ⋅ ( s + ξ K ⋅ ω K ) + c K ⋅ ω K ⋅ 1 − ξ K2 K =1 s 2 + 2 ⋅ ξ K ⋅ ω K ⋅ s + ω K2 [ ] c( t ) = a + ∑ a " ⋅ e − p " ⋅ t + ∑ b K ⋅ e − ξK ⋅ωK ⋅ t ⋅ cos ω K ⋅ 1 − ξ K2 ⋅ t + [ r ] + ∑ c K ⋅ e − ξK ⋅ωK ⋅ t ⋅ sen ω K ⋅ 1 − ξ K2 ⋅ t K =1 q r " =1 K =1 ( c( t ) = a + ∑ a " ⋅ e − p" ⋅ t + ∑ d K .e − ξK ⋅ωK ⋅ t ⋅ sen ω K ⋅ 1 − ξ2K ⋅ t + φ K a , a " ,b K , c K t ≥ 0 ; ) ; t ≥ 0 polo cercano a cero y o ⇐ RESIDUOS ⇒ son pequeños para polo lejano al eje j ω Si las relaciones de las partes reales exceden de cinco y no hay ceros cercanos, los polos de lazo cerrado mas cercanos al eje jω ω dominan el comportamiento de la respuesta transitoria. Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 19 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 20 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 21 LUGAR GEOMÉTRICO DE LAS RAÍCES CONTORNO DE RAÍCES Es el lugar geométrico de los polos de C(s)/R(s) [ ó raíces del sistema ] cuando varios parámetros de G(s).H(s) varían de -∞ ∞ a +∞ ∞. LUGAR DE LAS RAÍCES Es el lugar geométrico de los polos de C(s)/R(s) [ ó raíces del sistema]] cuando un parámetro de G(s).H(s) varía de 0 a +∞ ∞. Generalmente el parámetro que varía es la ganancia de G(s).H(s). LUGAR INVERSO DE LAS RAÍCES Es el lugar geométrico de los polos de C(s)/R(s) [ o raíces del sistema ] un parámetro de G(s).H(s) varía de -∞ ∞a0. cuando Generalmente el parámetro que varía es la ganancia de G(s).H(s). CONDICIÓN DE ANGULO DEL LUGAR DE LAS RAÍCES: ∠G( s ). H( s ) s= s 0 = ±180o ( 2 ⋅ l + 1) ; l = 0, 1, 2, ... ; s0 = raíz del sistema CONDICIÓN DE MÓDULO DEL LUGAR DE LAS RAÍCES: G( s ) ⋅ H( s ) s= s 0 = 1 ; s0 = raíz del sistema Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 22 REGLAS GENERALES PARA CONSTRUIR EL LUGAR DE LAS RAÍCES 1. OBTENER LA FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA DE LAZO ABIERTO EN LA SIGUIENTE FORMA: G( s ) ⋅ H( s ) = K ( s − z1 ) ⋅ ( s − z2 ) ( s − zm ) ( s − p1 ) ⋅ ( s − p 2 ) ( s − pn ) 2. PUNTOS DE ORIGEN ( K=0 ): Son los polos de G(s).H(s) [ incluye los que se encuentran en el infinito ] 3. PUNTOS DE TERMINACIÓN ( K= ∞ ): Son los ceros de G(s).H(s) [ incluye los que se encuentran en el infinito ] 4. NUMERO DE RAMAS SEPARADAS: Corresponde al orden del sistema m n si si m ≥ n n ≥ m 5. LUGAR SOBRE EL EJE REAL: un punto sobre el eje real pertenece al lugar de las raíces sí el número total de polos y ceros (sobre el eje real) de G(s).H(s) que hay a la derecha del punto considerado es impar 6. SIMETRÍA: Los lugares de las raíces de los sistemas con funciones de transferencia racionales con coeficientes constantes son simétricos con respecto al eje real Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 23 7. INTERSECCIÓN CON EL EJE IMAGINARIO: Se utiliza el Método de ROUTHHURWITZ 8. ASÍNTOTAS ( s → ∞ ) : para grandes valores de s, las ramas del Lugar de las Raíces son asintóticas a rectas con ángulos dados por: 180 o ( 2 ⋅ " + 1) β= n− m ; " = 0, 1, 2, , (n - m -1) N o de así ntotas = n - m 9. CENTROIDE (INTERSECCIÓN DE LAS ASÍNTOTAS CON EL EJE REAL): σ= ∑ Polos - ∑ Ceros n−m 10. ÁNGULOS DE SALIDA Y DE LLEGADA: se coloca un punto de prueba próximo al polo ( o cero ), que pertenece a la rama asociada al polo ( o cero ) y se aplica condición de Angulo 11. PUNTOS DE RUPTURA: Hay tres métodos: a) Son las raíces de dG(s) ⋅ H(s) dk = 0 ó = 0 ds ds que se encuentren en el rango buscado b) Tabulando K vs. s y hallando K máximo (para salida) ó K mínimo ( para entrada ) c) Utilizando la tabla de REMEC 12. OTROS PUNTOS: se utiliza la condición de Angulo con distintos puntos de prueba. Debe obtenerse con suficiente exactitud la forma del Lugar de las Raíces en el amplio entorno comprendido entre el eje imaginario y el origen. Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 24 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 25 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar TEMA No. 3 ANÁLISIS EN EL DOMINIO DE LA FRECUENCIA 1 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar RESPUESTA DE FRECUENCIA Función de Transferencia Senoidal F(s) s= jω = F( jω ) = F( jω ) ∠F( jω ) Gráficas de la Función de Transferencia a) DIAGRAMA DE NYQUIST b) DIAGRAMAS DE BODE c) DIAGRAMA DE NICHOLS DIAGRAMA DE NYQUIST Representa el módulo y el ángulo en coordenadas polares cuando ω varía de 0 a ∞. DIAGRAMA DE NICHOLS Es un gráfico de la amplitud ( Módulo ) en decibel en función de la fase ( Angulo ) en coordenadas rectangulares con ω variable de 0 a ∞. DIAGRAMAS DE BODE a) Diagrama de Amplitud: representa la amplitud en decibel en función de log ω (ó de ω) en coordenadas rectangulares ( ó semilogarítmicas ) con ω variable de 0 a ∞. b) Diagrama de fase: representa la fase en grados en función de log (ω ω) [ ó de ω ] en coordenadas rectangulares (ó semilogarítmicas) con ω variable de 0 a ∞. 2 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar DIAGRAMAS DE BODE DIAGRAMA DE AMPLITUD → DIAGRAMA DE FASE → F(j ω) dB vs. log ω ; F( jω ) dB = 20 ⋅ log F( jω ) ∠F(j ω) vs. log ω ω).H(jω ω) FACTORES BÁSICOS DE G(jω GANANCIA: FACTOR DERIVATIVO: K (j ω) 1 ω jω FACTOR INTEGRAL: ω 1 + j ⋅ ω 1 er FACTORES DE 1 ORDEN 1 ω 1 + j ⋅ ω 1 FACTORES CUADRÁTICOS 2 ω ω j ⋅ + 2⋅ ξ⋅ j +1 ωn ωn 1 2 ω ω j⋅ + 2⋅ ξ⋅ j +1 ωn ωn Los productos en la expresión G(jω ω).H(jω ω) pasan a ser sumas, porque se trabaja con logaritmos y ángulos 3 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 4 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 5 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 6 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 7 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 8 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 9 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar FRECUENCIA DE CRUCE ( o de TRANSICIÓN ) DE GANANCIA ( ωcg ) frecuencia a la cual G( jω ). H( jω ) = 1 (ó 0 dB ) FRECUENCIA DE CRUCE ( o de TRANSICIÓN ) DE FASE ( ωcf ) ∠G(jω ω).H(jω ω) = - 180o frecuencia a la cual MARGEN DE FASE (γ) es la cantidad de retardo de fase adicional necesaria a ωcg para que el sistema quede al borde de la inestabilidad-estabilidad γ = MF = 180 o + ∠G( jω ) ⋅ H( jω ) ω =ω cg MARGEN DE GANANCIA ( Kg ) es la cantidad de ganancia adicional (en dB) necesaria a ωcf para que el sistema quede al borde de la inestabilidad-estabilidad K g = MG = Kg dB 1 G( jω ) ⋅ H( jω ) ( ω = ω cf = MG dB = − G( jω ) ⋅ H( jω ) dB ) ω = ω cf SISTEMA DE FASE MÍNIMA sistema con todos los polos y ceros de G(s).H(s) en el S.P.I. de s SISTEMA DE FASE NO-MÍNIMA sistema en el cual G(s).H(s) tienen al menos un polo o cero en el S.P.D. de s 10 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 11 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 12 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 13 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 14 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 15 ωc ) FRECUENCIA DE CORTE DEL SISTEMA (ω frecuencia a la cual el valor de C R dB está a 3 dB por debajo de su valor a frecuencia cero. ANCHO DE BANDA DEL SISTEMA (AB) AB = ωc - 0 EL ANCHO DE BANDA es inversamente proporcional al TIEMPO DE CRECIMIENTO DIAGRAMA DE NICHOLS ω).H(jω ω) en función de la fase gráfico de la amplitud en decibelios de G(jω ω).H(jω ω) en coordenadas rectangulares ( 0 ≤ ω ≤ ∞ ). en grados de G(jω CARTA DE NICHOLS Lugares de C( jω ) R ( jω ) dB o constante y ∠ C ( jω ) R( jω ) ( ) constante para los sistemas con H(s) = 1 en el plano G ( jω ) ⋅ H ( jω ) dB − ∠G ( jω ) ⋅ H ( jω ) ( o ) . Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 16 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 17 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 18 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 19 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 20 ω).H(jω ω) ) DIAGRAMA DE NYQUIST ( ó DIAGRAMA POLAR DE G(jω Representa el módulo y el ángulo de G(jω ω).H(jω ω) en coordenadas polares cuando ω varía de 0 a ∞ w 0 0,6 0,78 1 1,25 1,5 2,25 3 4 ∞ M ∞ 1,42 1,00 0,69 0,49 0,35 0,165 0,090 0,047 0 K=1 Φ ( o) -90 -128 -137 -146 -155 -163 -180 -193 -205 -270 G( s)H( s) = K s. ( s + 1). ( s / 5 + 1) G ( jw )H ( jw ) = K jw . ( jw + 1). ( jw / 5 + 1) M = G ( jw )H ( jw ) = K 2 w . w 2 + 1. ( w / 5) + 1 φ = − 90 − tag −1 ( w ) − tag −1 ( w / 5 ) Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar K=1 w M Φ ( o) 0 ∞ -90 0,6 1,42 -128 0,78 1,00 -137 1 0,69 -146 1,25 0,49 -155 1,5 0,35 -163 2,25 0,165 -180 3 0,090 -193 4 0,047 -205 ∞ 0 -270 21 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 22 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 23 CAMINO DE NYQUIST Contorno que incluye el semi-plano derecho de s TRANSFORMACIÓN CONFORME DEL CAMINO DE NYQUIST DEL PLANO s EN EL PLANO G(s)H(s) [GH]]. PLANO s PLANO [GH] TRAMO I s = ε ∠φ lim G( s )H( s ) ε→ o ε→0 ; φ va desde − 90 a 90 en forma creciente TRAMO II s = jw ; TRAMO III s = r ∠φ o w va desde 0 + a + ∞ φ va desde − 90o a 90o en forma creciente Diagrama Polar de G(jw)H(jw) lim G( s )H( s ) r →∞ →∞ r→∞ TRAMO IV s = jw ; φ va desde 90 a - 90 en forma de creciente o ; s = ε ∠φ o s= r ∠φ o w va desde − ∞ a 0 + φ va desde 90o a - 90o en forma de creciente Diagrama Polar de G(-jw)H(-jw) Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar CRITERIO DE ESTABILIDAD DE NYQUIST Z=N+P Z : cantidad de polos de C/R en el S.P.D. de s N : cantidad de rodeos en sentido horario del punto ( - 1+ 0.j ) por el camino de Nyquist en el Plano GH P : cantidad de polos de GH en el S.P.D. de s Se dice que un punto está rodeado por un camino cerrado, si se encuentra en su interior. 24 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar TEMA No. 4 SÍNTESIS DE CONTROLADORES 1 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar ACCIONES BÁSICAS DE CONTROL ACCIÓN DE CONTROL forma como el controlador automático produce la señal de control Clasificación de los controladores industriales analógicos de acuerdo a la acción de control De dos posiciones ó intermitentes ( ON - OFF ) Proporcionales Integrales Proporcional - Integral Proporcional - Derivativo Proporcional - integral - derivativo 2 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 3 ACCIÓN DE CONTROL DE DOS POSICIONES ( ON - OFF ) ACCIÓN DE CONTROL PROPORCIONAL ACCIÓN DE CONTROL INTEGRAL ACCIÓN DE CONTROL PROPORCIONAL - INTEGRAL ACCIÓN DE CONTROL PROPORCIONAL - DERIVATIVO ACCIÓN DE CONTROL PROPORCIONAL INTEGRAL DERIVATIVO Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 4 COMPENSADOR dispositivo adicional que se inserta en el sistema para alterar el comportamiento global de modo que el sistema funcione de la forma deseada. COMPENSADORES DE ACUERDO A SU NATURALEZA MECANICOS ELECTRICOS HIDRAULICOS NEUMATICOS ETC. DE ADELANTO DE FASE COMPENSACIÓN SERIE DE ATRASO DE FASE DE ADELANTO - ATRASO DE FASE Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar COMPENSACIÓN DE ADELANTO DE FASE Red Eléctrica FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA s + 1T Eo ( s ) = = Gc ( s ) Ei ( s ) s + 1 α⋅T T = R1 ⋅ C α= R2 〈 1 R1 + R2 (0o < φm < 90o) φm = senφ ωm = 1− α 1+ α 1 T⋅ α 5 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar PROCEDIMIENTO PARA DISEÑAR EL COMPENSADOR DE ADELANTO DE FASE POR EL MÉTODO DE RESPUESTA DE FRECUENCIA ( Diagrama de Bode ). 1) Determinar K para satisfacer los requerimientos de coeficientes de error 2) Usando la K así determinada, calcular el MF del sistema no compensado (Utilizar el Diagrama de Bode) 3) Determinar el ángulo ( φ ) de adelanto de fase necesario que debe ser agregado al sistema para obtener el MF deseado. 4) Determinar φm = φ + ϕ ( ϕ = 5o ) 5) Determinar α de la ecuación 6) Determinar ωm como la frecuencia a la cual GH dB = 20 log α 7) Determinar T de la ecuación ωm = φm = senφ 1− α 1+ α 1 T⋅ α s + 1T 8) Determinar G c ( s ) = s + 1α ⋅ T 9) Se inserta un amplificador con ganancia igual a 1 α ganancia del amplificador existente en un factor 1 α ó se incrementa la 10) Dibujar el Diagrama de Bode del sistema compensado. Comprobar que las especificaciones dadas se cumplan, de lo contrario repetir los pasos 4 al 10, con un valor diferente para ϕ , hasta lograr lo requerido. 11) Determinar los componentes de la Red eléctrica (R1 , R2 y C). 6 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar COMPENSACIÓN DE ATRASO DE FASE Red Eléctrica FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA ( ) s + 1T Eo ( s ) 1 = ⋅ = Gc ( s ) Ei ( s ) β 1 s + β ⋅ T T = R2 .C β= R1 + R2 〉1 R2 7 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 8 PROCEDIMIENTO PARA DISEÑAR EL COMPENSADOR DE ATRASO DE FASE POR EL MÉTODO DE RESPUESTA DE FRECUENCIA ( Diagrama de Bode ) 1) Determinar K para satisfacer los requerimientos de coeficientes de error. 2) Usando la K así determinada, calcular el MF del sistema compensado. 3) Determinar ω c ' para el sistema compensado. Para ello se utiliza la siguiente expresión: ∠GH ωC' = MFdeseado − 180 o + ϕ ; 5 o ≤ ϕ ≤ 12 o 4) Se determina T de la siguiente ecuación: 1/T = 0,5 ωc´ ↓ ϕ = 12o ( 5) Determinar GH dB 6) Determinar β: ) ω =ωc ′ ó ωc´ 1/T = 0,1ω ↓ ϕ = 5o = M1 - 20 log (1 β) = M1 ( ) s + 1T 1 7) Determinar G c = ⋅ β 1 s + T ⋅ β 8) Comprobar que las especificaciones pedidas se cumplen, de lo contrario repetir los pasos 3 al 8 con un valor diferente para ϕ hasta lograr lo requerido 9) Determinar los componentes de la Red eléctrica (R1 , R2 y C). Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 9 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar 10 Sistemas de Control. Transparencias de clases. Noviembre-2000. Ingo Teodoro Pérez Escobar CONTROLADORES CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES 11