Serie 4 Dinámica de Procesos Función de Transferencia • Se define como G(s) = Y(s) / X(s) • Representa un modelo normalizado de un proceso, donde Y(s) es la variable de salida y X(s) es una de las entradas. • Y(s) and X(s) están expresadas como variables desviación. • La forma de la función de transferencia representa el comportamiento dinámico del proceso. X(s) PROCESO G(s) = Y(s) / X(s) Y(s) Pasos para hallar la G(s) Plantear el balance correspondiente Entrada − Salida ± Generación = Acumulación Ecuación diferencial (ED) Ecuación diferencial (ED) Sí Lineal? No Linealizar Ecuación diferencial lineal Linealizar con expansión en serie de Taylor Si la ecuación diferencial no es lineal, hay que linealizar los términos no lineales de la misma (por ejemplo, exp(a), a2, a*b, b1/2). dy y ( x) ≈ y ( x0 ) + ( x − x0 ) + ... dx x = x 0 Esta expresión provee una aproximación lineal de la función y(x) alrededor de x=x0. Cuanto más cercano sea x a x0, más exacta será la aproximación. Cuanto menos lineal sea la ecuación original, menos exacta será la aproximación. Ecuación diferencial lineal Restar balance en estado estacionario Sí Ecuación diferencial lineal enNo variables desviación Aplicar Transformada de Laplace Ecuación algebraica en s (Y = f (X, Z, W, …) Ecuación algebraica en s (Y = f (X, Z, W, …) Aplicar principio de superposición Sí Ecuación algebraica Y(s) No = f (X(s)) Reordenar Función de transferencia G(s) = Y(s) / X(s) Función de transferencia G(s) = Y(s) / X(s) Aplicar cambio en X y antitransformar SíRespuesta temporal No y(t) Aplicar TVI Aplicar TVF y(0) y(∞) Teorema del Valor Final lim t →∞ [ f (t )] = lim s →0 [s F ( s )] • Permite usar la transformada de Laplace de una función para determinar el valor final de estado estacionario de esa función. Teorema del Valor Inicial lim t →0 [ f (t )] = lim s →∞ [s F ( s )] • Permite usar la transformada de Laplace de una función para determinar el valor inicial de esa función. Respuesta Dinámica 1 G ( s) = 2 ( s + a ) ( s + bs + c) ( s − d ) A B C Y ( s) = + 2 + ( s + a ) ( s + bs + c) ( s − d ) y (t ) = A′ e − at + B′ e pt sin(ω t ) + C ′ e dt Siendo a, b, c y d, constantes positivas, la función de transferencia muestra respuestas de caída exponencial, oscilatoria y crecimiento exponencial, respectivamente. Polos en el plano complejo Raíces s41 (a4,b4) s31 (0,b3) s21 (a2,b2) s1 (-a1,0) a1t a2t s21, s22 e− (K1 cosb2t ± K2 senb2t ) s31, s32 (K3 cosb3t ± K4 senb3t ) ea4t (K5 cosb4t ± K6 senb4t ) s5 K6 e s6 K7 s5 (a5,0) s22 (a2,-b2) K0 e − s1 s41, s42 s6 (0,0) Términos para t>0 a5t ai y bi son constantes positivas. s32 (0,-b3) s42 (a4,-b4) Ki son constantes arbitrarias y pueden determinarse por expansión en fracciones simples. Raíces y respuestas Real negativa Caída exponencial Complejas conjugadas con parte real negativa Sinusoide Amortiguada Complejas conjugadas con parte real positiva Sinusoide creciente (inestable) Comportamiento Inestable Si la salida de un proceso crece ilimitadamente para una entrada acotada, el proceso es inestable. Si la parte real de cualquier polo de una función de transferencia es positiva, el proceso es inestable. Si algún polo está localizado en el plano derecho, el proceso es inestable. Ejemplo Mezcla de dos corrientes con cp = 1. Nivel constante. Ө vs. Ө1? Balance (Ec. dif.) Linealización F1 θ1 + F2 θ 2 − ( F1 + F2 ) θ = M dθ dt F1 θ1 = ( F1 θ1 ) e + (d ( F1 θ1 ) / dθ1 ) e (θ1 − θ1e ) + (d ( F1 θ1 ) / dF1 ) e ( F1 − F1e )) Variables desviación θ = θ −θe θ 1 = θ1 − θ1e θ 2 = θ 2 − θ 2 e Restar BEE. ED linealizada en variables desviación. dθ M = F1e θ 1 + θ1e F 1 − ( F1 + F2 ) e θ dt Aplicar transformada de Laplace para obtener una ecuación algebraica (T=f(T1, F1). F1e θ 1 ( s ) + θ1e F 1 ( s ) θ ( s) = [M s + ( F1 + F2 ) e ] F1e θ (s) ( F1 + F2 ) e K = = G (s) = M θ1 ( s ) s + 1 Ts + 1 ( F1 + F2 ) e Usar principio de superposición y reordenar para hallar la función de transferencia. Determinar el orden del sistema. ∆( salida ) K = Ganancia = ∆ ( entrada ) ee Τ = Constante de tiempo ⇒ Velocidad de respuesta C = Capacitancia Τ = CR d(fuerza impulsora) R = Resistencia = d(flujo) ee F h + Resistencia - R R = dh / dF R = dV / di Altura h = Diferencia de potencial = Fuerza impulsora R = resistencia Caudal F = intensidad de corriente Intensidad Diferencia de potencial Concepto de resistencia Sistema de primer orden dh F1 − F2 = A dt F1 h F2 F2 = f (h) = b h F2 = F2 e + dF2 (h − he ) dh e b he 1 dF2 b = = = dh e 2 he 2he R R Reescribiendo el balance Restando el balance en e.e. y transformando F1 − F2e − 1 dh (h − he ) = A R dt 1 F1 ( s ) − h( s ) = As h( s ) R h( s ) R K G (s) = = = F1 ( s ) RAs + 1 Ts + 1 Sistema capacitivo puro dh F1 − F2 = A dt F1 h F2 ≠ f (h) F2 A F1 ( s ) − F2 ( s) = As h( s ) Aplicando el principio de superposición, queda: h( s ) K G1 ( s) = = F1 ( s) As h( s ) − K G2 ( s ) = = F2 ( s) As Retardo puro F F f (t − L) f (t ) G (s) = e − Ls Sistemas de primer orden en serie a) Sistemas no interactuantes Balance TK1 F0 F0 − F1 = A1 dh1 dt h1 F1 = b1 h1 A1 R1 F1 Balance TK2 h2 A2 R2 F2 dh2 F1 − F2 = A2 dt F2 = b2 h2 Linealizando, queda: dF1 F1 = F1 e + e ( h1 − h1e ) dh1 dF2 F2 = F2 e + e ( h2 − h2 e ) dh2 b1 F1 = F1e + (h1 − h1e ) 2 h1 e b2 F2 = F2 e + (h2 − h2 e ) 2 h2 e b1 h1e b1 F1e 1 = = = 2h1e 2h1e R1 2 h1 e b2 2 h2 1 F1 = F1e + (h1 − h1e ) R1 e b2 h2 e F 1 = = 2e = 2h2e 2h2 e R2 1 F2 = F2 e + (h2 − h2 e ) R2 1 dh (h1 − h1e ) = A1 1 R1 dt F0 e − F1e =0 F0 − F1e − Balance linealizado, expresado en variables desviación TK1 - F0 − Transformada de Laplace Función de Transferencia TK1 1 dh h1 = A1 1 R1 dt 1 F0 ( s ) = h1 ( s ) + A1 s R1 h1 ( s ) R1 K1 G1 ( s ) = = = F0 ( s ) R1 A1 s + 1 T1 s + 1 Balance linealizado, expresado en Variables desviación TK2 Transformada de Laplace Función de Transferencia TK2 F1e + - F1e dh 1 1 (h1 − h1e ) − F2 e − (h2 − h2 e ) = A2 2 R1 R2 dt − F2 e =0 1 1 dh h1 − h2 = A2 2 R1 R2 dt 1 1 h1 ( s ) = h2 ( s ) + A2 s R1 R2 R2 h2 ( s) K2 R1 G2 ( s ) = = = h1 ( s) A2 R2 s + 1 T2 s + 1 Función de Transferencia del sistema de segundo orden R2 R1 R1 G ( s ) = G1 ( s )G2 ( s ) = A1 R1s + 1 A2 R2 s + 1 R2 K G ( s) = = 2 A1 R1 A2 R2 s + ( A1 R1 + A2 R2 ) s + 1 (T1s + 1)(T2 s + 1) b) Sistema interactuante Balance TK1 F0 − F1 = A1 dh1 dt F1 = b1 h1 − h2 Balance TK2 F1 − F2 = A2 F2 = b2 h2 dh2 dt Linealizar (F2 es idem caso a) dF1 dF1 F1 = F1 e + e ( h1 − h1e ) + e ( h2 − h2 e ) dh1 dh2 F1 = F1e + b1 2 h1 − h2 b1 b1 (h1 − h1e )− (h2 − h2 e ) 2 h1 − h2 e 2 h1 − h2 e e b1 h1e − h2 e F1e 1 = + = 2(h1e − h2 e ) 2(h1e − h2 e ) R1 1 1 F1 = F1e + (h1 − h1e ) − (h2 − h2 e ) R1 R1 1 1 dh (h1 ) + (h2 ) = A1 1 R1 R1 dt F0 e − F1e =0 F0 − F1e − Balance linealizado, expresado en variables desviación TK1 - F0 − Transformada de Laplace 1 1 dh h1 + h2 = A1 1 R1 R1 dt 1 1 F0 ( s ) − h1 ( s ) − A1 s = h2 ( s ) R1 R1 h1 ( s ) h2 ( s ) A1 s h1 ( s ) = F0 ( s ) − + R1 R1 (#) Balance linealizado, expresado en Variables desviación TK2 Transformada de Laplace F1e + - F1e dh 1 1 1 (h1 ) − (h2 ) − F2 e − (h2 ) = A2 2 R1 R1 R2 dt − F2 e =0 1 1 1 dh h1 − h2 − h2 = A2 2 R1 R1 R2 dt 1 1 1 h1 ( s ) − h2 ( s ) − h2 ( s ) = A2 s h2 ( s ) R1 R1 R2 h1 ( s ) h1 ( s ) h2 ( s ) A2 s h2 ( s ) = − − R1 R2 R2 (*) Eliminando h1(s) de (*) y (#), queda: h2 ( s ) R2 = F0 ( s ) ( A1 R1 A2 R 2 ) s 2 + ( A1 R1 + A2 R 2 + A1 R 2 ) s + 1 h2 ( s ) R2 K = = 2 F0 ( s ) (τ 1τ 2 ) s + (τ 1 + τ 2 ) s + 1 (τ 1 s + 1)(τ 2 s + 1) τ 1 y τ 2 se llaman constantes de tiempo efectivas. No tienen sentido físico. Son solamente la solución matemática. Los sistemas de segundo orden se escriben genéricamente en función de la frecuencia natural y el factor de amortiguamiento K G (s) = ( 1 ) s 2 + ( 2ξ ) s + 1 ω n 2 ωn ξ>1 ξ=1 ξ<1 Raíces reales y distintas Raíces reales e iguales Raíces complejas conjugadas ( 1 ωn 2 2 ωn = )s + ( 2ξ ωn ) s + 1 = (T1 s + 1)(T2 s + 1) 2ξ 1 T1T2 T1 + T2 ξ = 2 ωn = T1 + T2 1 T1T2 Como la media aritmética es siempre mayor que la media geométrica, el factor de amortiguamiento en sistemas de segundo orden formados por dos sistemas de primer orden en serie será siempre mayor que 1. Sistemas de segundo orden Ejemplo: Manómetro en U D = Diámetro de la columna P1 = Presión mayor P2 = Presión menor L = Longitud de la columna de líquido H = Nivel por encima de la línea de equilibrio Balance macroscópico de fuerzas: Inerciales = Exteriores – Viscosas - Hidrostáticas F1 = F2 – F3 – F4 d 2h F1 = ma = ρLA 2 dt F2 = (∆P) A = ( P1 − P2 ) A dh 32 Lµ dh (para flujo laminar) = A 2 dt D dt F4 = 2 ρAgh F3 = RA Sistemas de segundo orden d 2h 32 Lµ dh ρLA 2 = (∆P) A − 2 A − 2 ρAgh dt D dt d 2 h 32 Lµ dh (∆P) = ρL 2 + + 2 ρgh 2 dt D dt (∆P) L d 2 h 16 Lµ dh = + +h 2 2 2 ρg 2 g dt ρgD dt Transformando, queda: 1 h( s ) K 2 ρg = = µ L 16 L 1 2 2ξ 2 ∆P( s ) s + s +1 s + s +1 2 2g ρgD 2ωn ωn Sobrevalor y otros parámetros h(t) / K SV1 = Sobrevalor máximo (overshoot) tME= Tiempo de máxima elevación tE = Tiempo de elevación (1° vez que llega al valor final) η = Relación de decaimiento SV1 1 t ME = TP −πξ SVM = e π ωn 1 − ξ 2 1−ξ 2 −2πξ SVn η= =e SVn −1 tE tME 1−ξ 2 t Respuesta de sistemas G (s) = Y (s) K = X ( s ) As y (t ) = K (∆X )t A t Τ Y (s) K G (s) = = X ( s ) Τs + 1 y (t ) = K ( ∆X )(1 − e ) Y (s) K G (s) = = X ( s ) Τs + 1 K −Τ y (t ) = (e ) Τ Y (s) K G (s) = = X ( s ) Τs + 1 G(s) = Y (s) K = X ( s ) (Τ1s + 1)(Τ2 s + 1) − t y (t ) = KΤ(e − t Τ + t − 1) Τ t t − − 1 Τ1 Τ2 y (t ) = 1 + T1 (e ) − T2 (e ) T2 − T1 Identificación de sistemas Los sistemas reales se pueden clasificar en tres grandes grupos: 1.- Es resoluble analíticamente y pueden calcularse los parámetros. Por lo tanto, se conoce el comportamiento dinámico. 2.- Es resoluble analíticamente, pero no pueden calcularse los parámetros. Hay que recurrir a la experiencia para hallarlos. 3.- No es resoluble analíticamente ó es resoluble con solución compleja. Se toma el sistema como caja negra y se supone un modelo. Vamos a analizar sistemas como los del grupo 2. Sistemas de primer orden Escalón Y ( s) K G ( s) = = X ( s ) (Τs + 1) − y (t ) = K (∆X )(1 − e ) y (t ) = 0.632 * K (∆X ) Si t=T, y(t) y(t) K ∆X 63.2% K ∆X T t Τ t Sistemas de primer orden Escalón Y ( s) K G ( s) = = X ( s ) (Τs + 1) − y (t ) = K (∆X )(1 − e ) ∆y (t ) K (∆X ) = ∆x(t ) T Derivada en el origen y(t) K ∆X T t Τ t Sistemas de primer orden Y ( s) K G ( s) = = X ( s ) (Τs + 1) Eliminar exponencial Escalón − t Τ y (t ) = K (∆X )(1 − e ) y (t ) − t ln 1 − = K∆X T y (t ) −1 Graficando ln 1 − vs. t, se obtiene una recta cuya pendiente es . T K∆X Sistemas de primer orden Impulso Y ( s) K G ( s) = = X ( s ) (Τs + 1) K (∆X ) − Τt y (t ) = (e ) Τ y (t ) = 0.368 * K (∆X ) Si t=T, y(t) K (∆X ln[ y (t ) ]= ln T t − T 1,2 11 0,8 0,6 y(t) 0,4 0.368 0,2 3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 t 1,6 1,4 T 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 00 Sistemas de primer orden Y ( s) K G ( s) = = X ( s ) (Τs + 1) t − Τ y (t ) = Ka t − Τ(1 − e ) Rampa t − Τ x(t ) − y (t ) = at − Ka t − Τ(1 − e ) El error dinámico es la diferencia entre las respuestas, cuando se extinguió la parte exponencial. 1,00 x0(t) 0,80 Error dinámico 0,60 y0(t) 0,40 0,20 x(t) y(t) t0 1,00 0,91 0,82 0,73 0,64 t 0,55 0,45 0,36 0,27 0,18 0,09 0,00 0,00 x0 (t ) − y0 (t ) = at − Ka (t − Τ) Sistemas de primer orden con retardo puro y(t) y632 G(s) = K − Ls e Ts + 1 y632 = 0.632( y f − y0 ) K = 0 L T y f − y0 u f − u0 t Sistemas de segundo orden Y ( s) K G ( s) = = 1 2ξ X (s) s + s +1 2 ωn ξ >1 ξ =1 ωn = Frecuencia natural ξ = Factor de amortiguamiento ωn Segundo orden sobreamortiguado. Raíces reales y distintas. Segundo orden cíticamente amortiguado. Raíces reales e iguales En ambos casos, la función de transferencia del sistema puede escribirse como dos sistemas de primer orden en serie, interactuantes ó no interactuantes. Y ( s) K G(s) = = X ( s ) (Τ1s + 1)(Τ2 s + 1) ξ <1 1 ωn 2 = Τ1Τ2 2ξ ωn = Τ1 + Τ2 Segundo orden subamortiguado. Raíces complejas conjugadas Respuesta de sistemas de segundo orden subamortiguados Ante salto escalón ξ <1 ξ <1 ξ = 0 .1 ξ <1 ξ = 0 .2 ξ = 0 .4 ξξ = =0.4 0 . 7 Obtención de parámetros y(t) KA t K= y f − y0 u f − u0 ωP = ω P = ωn 1 − ξ 2 2π Tω ξ= u0 = Valor inicial de entrada uf = Valor final de entrada y0 = Valor inicial de salida yf = Valor final de salida = KA A1 = Amplitud de pico 1 An = Amplitud de pico n Tω = Tiempo entre dos picos sucesivos ωP = Frecuencia propia =Frecuencia con que oscila el sistema. 1 ln( A1 / An ) n −1 1 2 4π + ln( A1 / An ) n −1 2 Obtención de parámetros y(t) SV1 = Sobrevalor 1 SV2 = Sobrevalor 2 TP = Tiempo entre dos picos sucesivos η = Relación de decaimiento KA SV3 1 TP ωn −2πξ SV3 η= =e SV2 1−ξ 2 ξ= = TP 1− ξ 2 2π SV ln 1 SV2 SV 4π 2 + ln 1 SV2 2 t Respuesta de sistemas de segundo orden sobreamortiguados Ante salto escalón ξ >1 ξ = 1.00001 ξ =2 ξ =5 ξ >1 Método de la curva complementaria Aplicable a sistemas de segundo orden sobreamortiguados, donde se conoce la respuesta del sistema total ante un salto escalón. La expresión de la misma es: t t T − − T2 y (t ) = ( K * ∆X ) * 1 − 1 * e Τ1 − * e Τ2 T1 − T2 T1 − T2 1− y (t ) T1 = *e K * ∆X T1 − T2 − t Τ1 − T2 *e T1 − T2 − t Τ2 Pretendemos hallar los valores de ambas constantes de tiempo. Establecemos la condición de que T1 es apreciablemente mayor que T2. A medida que el tiempo va aumentando, el segundo exponencial decrece más rápido. Habrá un tiempo t´ desde el cual se tenga: y (t ) T1 1 − K * ∆X ≅ T − T e t >t ´ 1 2 − t Τ1 − ≅e t Τ1 Método de la curva complementaria y (t ) T1 1− *e ≅ K * ∆X T1 − T2 − t Τ1 − ≅ 1* e t Τ1 y (t ) t ln1 − ≅ − T1 K * ∆X Representando gráficamente, se obtendrá una recta que será asintótica a la curva de la función total para tiempos grandes. El punto donde la recta corta al eje de ordenadas será (0, Y0). En el caso particular de t = T1, el valor de la ordenada será 0.368Y0. Esto permitirá obtener T1. Método de la curva complementaria La diferencia entre la recta y la curva de la función total, será: T2 d= *e T1 − T2 − t Τ2 Representando en el mismo gráfico d vs. t, se obtendrá una recta. Las coordenadas del punto para t = 0, serán (0,Y1). En el caso particular de t = T2 el valor de la ordenada será 0.368Y1. Esto permitirá obtener T2. Este método se puede utilizar para sistemas de orden superior. Método de la curva complementaria 2 y (t ) ln 1 − 1,8 K * ∆X Diferencia 1,6 Asíntota Y01,4 Función total 1,2 1 0.368 Y 0,80 Y10,6 0,4 0.368 Y1 0,2 0 0 10 T2 20 30 T1 40 50 t 60 Método de Harriott Aplica a sistemas sobreamortiguados o críticamente amortiguados. G( s) = K (T1s + 1)(T2 s + 1) Aplicando un escalón de magnitud A y graficando y(t)/KA vs. t / (T1+T2), se observó que en todas las curvas se alcanzaba el 73% del cambio en la salida para t = 1.3 (T1+T2). O sea, que todas las curvas se cortaban en un punto que tenía coordenadas (1.3 , 0.73). Luego, se determinó que las curvas estaban más separadas entre sí (esto es, permitían mejor apreciación) cuando t / (T1+T2) = 0.5. Harriott realizó un gráfico normalizado de y(t)/KA vs. T1/(T1+T2) para un valor de t / (T1+T2) = 0.5. Método de Harriott K= y(t) y f − y0 u f − u0 t´= 0.5(T1 + T2 ) t73 = 1.3(T1 + T2 ) u0 = Valor inicial de entrada t73 − t0 uf = Valor final de entrada = 2.6 y0 = Valor inicial de salida t´−t0 yf = Valor final de salida y´= Valor de salida a tiempo t´ t0 = Tiempo en que aparece el escalón t73 = Tiempo en que la salida alcanza el 73% t0 t´ t73 t t73 − t0 = 2.6 t´−t0 Método de Harriott y (t ) KA yt → ∞ − yt = 0 K= A 0.73 t´= 0.5(T1 + T2 ) t73 = 1.3(T1 + T2 ) t73 = 2.6 t´ y´ 0 t´ t73 tiempo Método de Harriott y KA t = 0.5 T1 + T2 T1 T1 + T2 Método de Harriott El procedimiento consiste en lo siguiente: De la respuesta temporal del sistema, se obtiene (gráfica o analíticamente), el tiempo para el cual la respuesta es el 73% del cambio en la salida. De ahí se obtienen t73 y (T1+T2). t y(t) y(t) / KA 0 0 0 --- --- --- t´ = 0.5 (T1+T2) y´(0.5) t73 = 1.3 (T1+T2) 0.73 Método de Harriott Se calcula el tiempo t´ = 0.5 (T1+T2). De la respuesta temporal se lee el valor de salida y´(0.5) y se calcula y´(0.5) / KA. t y(t) y(t) / KA 0 0 0 --- --- --- t´ = 0.5 (T1+T2) y´(0.5) y(0.5) / KA t73 0.73 Método de Harriott Con el valor de y´(0.5) / KA se entra al gráfico normalizado de Harriott y se obtiene T1 / (T1+T2). Como ya se conoce (T1+T2), pueden obtenerse los valores de T1 y T2. Si la ordenada del gráfico normalizado de Harriott, y´(0.5) / KA, resulta mayor a 0.39 ó menor a 0.26, significa que la respuesta no corresponde a un sistema de segundo orden sobreamortiguado, pudiendo ser probablemente de segundo orden subamortiguado, ó de orden superior.