Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

download Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

of 116

Transcript of Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    1/116

     

    UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE SANTIAGO

    (UTESA)Facultad de Arquitectura e Ingeniería Eléctrica

    Controles de sistemas automáticos

    Problemas resueltos

    Temas: fundamentos matemáticos, diagrama de bloques, reducción de diagrama

    de bloque, grafo y diagrama de flujo, estabilidad, errores, análisis dinámico,

    diagrama de Bode

    Realizado por

    Ing. Daniel E. Taveras

    Email:[email protected]

    Santiago de los caballeros

    República Dominicana

     Abril 2016

    .

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    2/116

     

    Índice

    CAPITULO I 

    Introducción al sistema de control --------------------------------------------- 5

    Fracciones parciales -------------------------------------------------------------- 8

    Factores lineales no repetidos 15

    Transformada inversa de Laplace --------------------------------------------- 17

    Transformada de Laplace ------------------------------------------------------- 20

    Teorema del valor final y valor inicial ----------------------------------------- 21

    Polos y ceros ------------------------------------------------------------------------ 25

    Linealización ------------------------------------------------------------------------ 28

    Ecuaciones diferenciales lineales e invariables en El tiempo ---------- 35

    Modelado ---------------------------------------------------------------------------- 42

    CAPITULO II 

    Reducción de diagramas de bloques ----------------------------------------- 56

    Diagrama de flujo ------------------------------------------------------------------ 69

    Estabilidad --------------------------------------------------------------------------- 71

    CAPITULO III 

    Tipo de Errores ------------------------------------------------------------------- 74

    Constantes de error 85

    Cálculo de magnitud y de fase ------------------------------------------------- 96

    Diagrama asintótico de Bode --------------------------------------------------- 100

     Análisis dinámico ------------------------------------------------------------------ 113

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    3/116

     

    INTRODUCCION

    El siguiente trabajo es una recopilación de todos los ejercicios marcados como

    tarea de los diferentes libros que tratan sobre el control de los sistemas

    automáticos y las bases para el control de sistemas. Los ejercicios estánorganizados desde los concernientes al primer parcial hasta los del tercer parcial.

    Se podrá ver los diferentes temas al igual que los pasos y procedimientos

    utilizados para resolver los ejercicios marcados.

    Las fórmulas utilizadas están realizadas directamente en el programa para que el

    lector al ver la limpieza de los ejercicios se interese aún más y entienda mejor lo

    realizado.

    Como ya se mencionó, está dividido en tres partes, la primera parte se refiere a lo

    que fue el primer parcial en donde se trataron los temas: introducción a los

    sistemas de control, en donde vimos los sistemas de lazo abierto y lazo cerrado y

    como elaborar un diagrama de bloques para representar dichos sistemas, también

    vimos lo que son polos y ceros y realizar la gráfica correspondiente a partir de una

    función de transferencia, también los modelados de sistemas físicos, en donde

    encontramos el modelo matemático de un sistema eléctrico y un sistema mecánico

    y también vimos la parte matemática, lo que es la Linealización y solución deecuaciones diferenciales utilizando transformada de Laplace.

    En la segunda parte que es la del segundo parcial se tratan los temas: Reducción

    de diagramas de bloques, Grafo de flujo de señal y el test de Routh.

    La tercera y última parte es la correspondiente al tercer parcial cuyos temas son:

     Análisis en frecuencia, los errores y sistemas dinámicos.

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    4/116

     

    CAPITULO I

    Fundamentos matemáticos

    Introducción a los sistemas de control

    Establecer cuáles de los siguientes sistemas de control son en lazo abierto o en

    lazo cerrado y explicar las razones que lo justifiquen:

    a) Un refrigerador.

    Lazo cerrado, porque la salida se retroalimenta en la entrada para controlar elproceso este usa un termostato quien es el dispositivo de retroalimentación paramantener el refrigerador frio

    b) Los semáforos en un cruce de calles pueden ser un sistema de control delazo abierto o lazo cerrado. Explicar cómo diferencian los sistemas.

    El semáforo es de lazo abierto ya que no tiene un dispositivo que detecte el flujovehicular, sino, que funciona siempre igual

    Dibujar, utilizando un diagrama de bloque sencillo, los siguientes sistemas de

    control en lazo cerrado

    a)  Un horno controlado por un termostato

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    5/116

     

     b)  Una luz automática enciende cuando se oscurece y se apaga cuando seaclara.

    En el pasado, los sistemas de control utilizaban un operador humano como partede un sistema de control de lazo cerrado. Dibújese el diagrama de bloques delsistema de control de la válvula que se muestra en la figura p1.2.

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    6/116

     

    Fracciones parciales

    Desarrollo de coeficiente de fracciones parciales

    1) 

     

                                    Aplicando transformada inversa de Laplace

     

     

       

       

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    7/116

     

                     

         

        Aplicando transformada inversa de Laplace

     

     

    3            

     

         

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    8/116

     

     Aplicando transformada inversa de Laplace

     

     

    4

         

                        

     Aplicando transformada inversa de Laplace

     

     

    5      

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    9/116

     

       

    +2B-3C=1 

    =0      -2C-3C=1 

    -5C=1 

     

         

     

      Aplicando transformada inversa de Laplace

     

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    10/116

     

    Factores lineales no repetidos

    ∫  

     

    ∫ ∫   ∫           

     

         

             

    ∫ ∫ ∫   ⌈ ⌉ ⌈ ⌉

    +C

    ∫ ∫    

    ∫ ∫  ∫ ∫  

     

                 

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    11/116

     

       

     

         

     

     

       

     

    ⌈⌉ ⌈ ⌉ ⌈ ⌉+C

    ∫    

    ∫ ∫    

                   

     

     

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    12/116

     

    ∫ ∫ ∫   ⌈ ⌉ ⌈ ⌉+C

    ∫  ∫ ∫ ∫  ∫ ∫ ∫            ∫ ∫ ∫   ⌈⌉ ⌈ ⌉ ∫

     

     ∫ ∫ ∫               

          

    ∫ ∫ ∫  ⌈ ⌉ ⌈ ⌉+C

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    13/116

     

    Transformada inversa de Laplace

    Determinar F(s) si f(t) es:

    1)

     

     

           2)    

     

     

    Entonces

           3)    De la tabla de integrales tenemos:    De donde

     

    Entonces:

         

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    14/116

     

     

     

       4)    

     

         5)    

          {}    

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    15/116

     

    Transformada de Laplace

    Encontrar f(t) si tengo F(S)

     

           

            

    Por el método de sustitución se obtienen los valores de las variables

     A=1-B

    2(1-B)+B=3

    2-2B+B=3

    -B=3-2

    -B=1

    B=-1

     A+(-1)=1

     A=1+1

     A=2

    Volvemos a la ecuación original y sustituimos a y b por los valores encontrados

      Aplicando transformada inversa de la place se tiene

          

     Este caso se debe utilizar el método de la división larga así:

     entonces

     

    Se escoge esta parte para el cálculo de las variables

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    16/116

     

     

     

     

               

     A=1-B

    2(1-B) +B=3

    2-2B+B=3

    -B=3-2

    -B=1

    B=-1

     A+ (-1) =1

     A=1+1

     A=2

     

        

     

            

     

     

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    17/116

     

     

     

      ( )      

     

    {}       

     

         

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    18/116

     

    Teorema del valor final y valor inicial

     Aplicando el teorema valor final, encuentre el valor final de f (t), cuya transformadade Laplace se obtiene mediante:

         

            Determine los valores de f (0+) y f (0+) (Use el valor de teorema de valor inicial).

    Teorema de valor inicial

       Teorema de valor final

     

          

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    19/116

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    20/116

     

     Ceros

     Polos

     

     

     

     Ceros

       

     

    Entonces los ceros son:

       Polos

      Los polos son:

         

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    21/116

     

    Encontrar Las funciones de transferencia dados los polos y los ceros

    1. Polos en -1, -2; sin ceros

    Sin ceros =1 en El numerador

    Los polos son:  La función de transferencia es entonces:

     2. Polos en 1, -2; ceros en 0

    Cero en cero = S

    Los polos son: (S-1) y (S+2)La función de transferencia es entonces:

     3. Polos en -2±1j; cero en 2

    Cero en 2= (S-2)

    Los polos son:

     

           

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    22/116

     

    4. Polos en 6±10j y -3±4j; ceros en cero y -2±5.

    Los ceros son:  

     

     Para 6±10j los polos son:        

     

    Para -3±4j los polos son:          La función de transferencia es entonces

         

    5. Polo en -6±2j; ceros en -1, 2

    Los ceros son:  Los polos son:    

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    23/116

     

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    24/116

     

    Linealización

    Encontrar la ecuación lineal o no lineal de las siguientes ecuaciones

     

    En la región definida por

         

     

    Sustituyendo

                 

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    25/116

     

    Linealice la ecuación no lineal

        Aplicando derivadas con respecto a cada variable se puede obtener

               

       

              Al sustituir se tiene

       

     

     

       Encuentre una ecuación linealizada para y = 0.2 X3 alrededor de un punto x = 2.

         y = 0.2 X3 y=0.2(2)3 = 0.2(8)= 1.6Rep. Y= 2.4(x-2)+1.6

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    26/116

     

    Linealice la ecuación no lineal z =  + 4xy + 6 En la región definida por 8 ≤x≥10 y 2≤y≥4 

    x=

    y=

    =3 z =

     + 4xy + 6

    =

     + 4(9)(3) + 6

    = 243

           

     

    La densidad del gas ideal se expresa mediante la siguiente formula

     Donde M es el peso molecular y R la constante de los gases perfectos.

    Encontrar la aproximación lineal de la densidad como función de T y p y evalúense

    los coeficientes para aire (M = 29) a 300K y presión atmosférica (101,300 N/m?).

    En unidades del SI la constante de los gases perfectos es R = 8.314 N-m/kgmol-K.

    Solucihz.  A partir de la ecuación (2-64), la aproximación lineal se da por:          Un termistor tiene una temperatura representada por:

           

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    27/116

     

    Ecuaciones diferenciales lineales e invariables en El tiempo.

       ̈  ̇

       ̇

    De la tabla de ecuaciones diferenciales se tiene que:

               

     

     

                       Desarrollando

           A=a-B

    Sustituimos        

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    28/116

     

          

       

            

    Con x=0 cuando t=0

              

             

     

         

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    29/116

     

     

     

     

         ¿Cuál es la solución de la siguiente ecuación diferencial?

     Condiciones iniciales,

       

    { } (   ) { } (   )    { } ( ) { } ( )  {}     

     

       Factorizo el denominador:  

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    30/116

     

       

       

               

          ⁄  

    ( ⁄ ) [( ⁄ ) ]

     

      ⁄ ⁄    ⁄

    ⁄( ⁄ ) 

     

    ⁄( ⁄ )

     

      ⁄   ⁄  

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    31/116

     

      ⁄  Resuelva la ecuación diferencial

     

    Condiciones iniciales,

     { }  {}               Resuelva la siguiente ecuación diferencial mediante la transformada de Laplace:

          { }  { } [ ] {}   [ ]        

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    32/116

     

        

     

           

     

         {} ( ⁄ )

    ⁄ ⁄  

       

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    33/116

     

    Modelado

    obtener la ecuacion de transferencia Y(s)/U(s) del siguiente sistema mecánico

    ̈ ̇ ̇  ̈ ̇ ̇  

    Con la transformada de Laplace se Obtiene

           

       

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    34/116

     

    Obtener las funciones de transferencia   

    Solución

     

          

                   Aplicamos la transformada de Laplace

                    

       

             

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    35/116

     

    Obtener la función de transferencia del sistema eléctrico siguiente:

    ∫  

    ∫ ∫   ∫  Utilizando transformada de Laplace tenemos

       

     

    Obtener la ecuación de transferencia del sistema eléctrico correspondiente

    Ecuaciones del sistema

     

     

     Aplicamos transformada de Laplace

       

       

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    36/116

     

     

     

     

     

     

     

           

     

     Aplicando transformada de Laplace

       

       

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    37/116

     

    Modelado de sistemas hidráulicos

    El sistema hidráulico que se muestra en la figura, consiste en dos tanques con un

    caudal de entrada al primer tanque de W1 metros cúbicos por seg. Cada tanque

    introduce una capacitancia hidráulica y cada valvula una resistencia hidráulica. La

    presión en el fondo de cada tanque se expresa con respecto a la presión

    atmosférica que se observa en la salida de cada tanque. Determinar un conjunto

    de ecuaciones diferenciales para describir este sistema.

     Atendiendo el área del fondo de cada tanque se tiene

            

    Pero en este caso debemos tener en cuenta dos conceptos que son la

    capacitancia de cada tanque y la presión en el fondo

    De donde

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    38/116

     

     

     

    Entonces se puede sustituir W2(t) por la ecuación de la salida R1 

     Despejando la salida del segundo tanque se tiene

     

    Luego la salida R2= W3(t)

     Se sustituye en la ecuación

     Luego se puede calcular la ecuación de transferencia que sería la salida sobre laentrada del sistema total  

     

     

    CAPITULO II

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    39/116

     

    Reducción de diagramas de bloques

    Reduzca el diagrama de bloques de la fig. A la forma con retroalimentaciónunitaria y encontrar la ecuación característica del sistema.

    Primer paso se multiplican los dos bloques en serie

     

     

    Determinar la salida c debida a U1, U2 y R.

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    40/116

     

    Primer paso es hacer  y modificar el diagrama como sigue

    Luego tengo

     

    Segundo paso es hacer  y modificar el diagrama como sigue

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    41/116

     

     

    Tercer paso es hacer  y modificar el diagrama como sigue

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    42/116

     

      .

     

     

    Reduzca a la forma canónica el diagrama de bloques y encuentre la transformadaC de la salida. K es una constante.

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    43/116

     

    Reduciendo la malla de retroalimentación

     

     

    Reduciendo la malla de retroalimentación

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    44/116

     

    Reducir el siguiente diagrama de bloques a un solo bloque Y/R

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    45/116

     

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    46/116

     

    Reducir

     

    Reducir el lazo de retroalimentación

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    47/116

     

     

     

     

    Encontrar C/R

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    48/116

     

    La trayectoria directa es:

     Los lazos de retroalimentación son:

     

     

      ∑     ∑

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    49/116

     

    Determine C para el siguiente sistema

    Primer paso, hacer R2, R3, R4 = 0

    Reduciendo la malla de retroalimentación

    R1

    --

    C

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    50/116

     

       Segundo paso, hacer R1, R3, R4 = 0

    Reduciendo

     

     

    Tercer paso, hacer R1, R2, R4 = 0

    R2

    -

    C

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    51/116

     

     

       

    Cuarto paso, hacer R1, R2, R3 = 0

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    52/116

     

     

     

     

         

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    53/116

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    54/116

     

            ∑    

     

    Para hallar C/R2 se hace R1=0

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    55/116

     

    Como flujo de señal

       El delta no varía

     Entonces C/R2 es:

     

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    56/116

     

    .Lazos de retroalimentación       ∑    

     

     Diagrama de flujo

    Obtener el grafo de flujo de señal.

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    57/116

     

    Para calcular Y(S)/R(s) se debe hacer cero a N(s)

     

           Como se puede ver en el grafico G1(s) no tiene retroalimentación

    Entonces el delta

     es

        ∑

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    58/116

     

    La segunda parte nos pide Y(s)/N(s)

    Para esto hacemos igual a cero tanto R(s) como E(s) y nos queda lo siguiente

    Y el grafo nos queda de esta forma

    Y la relación salida sobre entrada  

    Entonces ∑

     

    Como se puede notar se usa el delta de la figura completa

    La segunda parte nos pide Y(s)/E(s)

    Para esto hacemos igual a cero tanto R(s) como N(s) y nos queda lo siguiente

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    59/116

     

     Los lazos de retroalimentación serian

     

     Pero se utiliza el delta del sistema completo

    Entonces

     

     Aplique la fórmula de la ganancia a las sfg mostradas para encontrar las sgts.

    Funciones de transferencia.

       LAZOS

       

     

         

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    60/116

     

     

     

         

    Encuentre las funciones de transferencia Y7/Y1 y Y2/Y1 de las sgts. Sfg.

     

                 

    Los pares de lazos que no se tocan

               

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    61/116

     

     

     

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    62/116

     

    Encuentre la función de transferencia.

    Calcular Y6/Y1 

    Para esto se debe hacer cero a Y7 y nos queda el siguiente diagrama de flujo

    Las trayectorias directas son:

     

     Los lazos de retroalimentación son:

           Hay un par de lazos que no se tocan son L1 y L2, estos se deben multiplicar así:   ∑ ∑  

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    63/116

     

       

     

     

    Encuentre las funciones de transferencia del sgt diagrama.

    a) La primera parte se encuentra haciendo N(s) igual a cero así:

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    64/116

     

    Resolvemos primero esta parte

     

    Luego se debe mover el punto de suma delante, entonces el diagrama quedacomo sigue:

    El siguiente paso es sumar las 2 ganancias que quedan en paralelo, estas son

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    65/116

     

    Y vuelvo a modificar el diagrama

     

     

    Y finalmente la salida sobre la entrada es

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    66/116

     

    El primer paso consiste en mover el punto de suma adelante

      

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    67/116

     

     

       

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    68/116

     

    Del siguiente diagrama de bloques encontrar las siguientes funciones

         

     Al hacer cero N(S) me queda

     

    Lo que lo coinvierto en un diagrama de flujo

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    69/116

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    70/116

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    71/116

     

    Estabilidad

    Usar al arreglo de Routh para determinar si los sistemas que tienen las funcionesde transferencia con los siguientes polinomios son o no estables

     

      1 8 0  4 12          

     

         1 8 0  4 12     

     

     

       1 1 3  1 2 0              

     

     

     

     

       

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    72/116

     

     

     

       1 1 3  1 2 0               Considerando el sistema de la figura, determine si el sistema es estable.

    Ecuación característica.

       1 12 11 0  6 12 6  10 10 0  6 10 0  20/3 0    0

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    73/116

     

     

     

     

    Considerando el sistema de la figura, determinar si el sistema es estable. Expliquedetalladamente su respuesta.

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    74/116

     

    CAPITULO III

    TIPOS DE ERRORES

    Determinar el tipo de los siguientes sistemas con realimentación unitaria para loscuales se dan a continuación las siguientes funciones de transferencia detrayectoria directa:

    Para determinar el tipo de sistema se deben calcular las constantes de error y deacuerdo al resultado se sabe cuál es su tipo.

    Por ejemplo si cuando

     j Kp  Kv  Ka 

    0   0 01

     

      0

    2     K3      a)  

     

       

     

    Kp  Kv  Ka  tipo de sistema  0 0 tipo 0

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    75/116

     

    b) .

     

       

     

    Kp  Kv  Ka  tipo de sistema  0 0 tipo 0

    c)      

     

    Kp  Kv  Ka  tipo de sistema  K 0 tipo 1

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    76/116

     

    d)  

     

       

    Kp  Kv  Ka  tipo de sistema

        K tipo 2e)    

     

     Kp  Kv  Ka  tipo de sistema      tipo 3f)  Como tengo una S elevada al cubo en el denominador por simple inspeccionse pude notar que el sistema es de tipo 3, pues todos los resultados soninfinitos.

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    77/116

     

    Determine las constantes de error a escalón, a rampa y a parábola del siguientesistema de control con realimentación unitaria. Las funciones de transferencia dela trayectoria directa son:

    a)

     

               

    b)    Porque 

     

       

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    78/116

     

     

     

       Porque 

     

    c)        

             

       

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    79/116

     

       

    d)      

         

     e)  

     

    ⌈ ⌉  

        ⌈ ⌉ 

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    80/116

     

       

     

       

    f)

     

               

       

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    81/116

     

    Las siguientes funciones de transferencia se dan para un sistema de control conrealimentación no unitario de un solo lazo. Encuentre los errores en estado establedebido a una entrada escalón unitario, rampa o parabólica (t 2/2)us(t)

    a)

     

     

     

     

     

     

       

       Entrada escalón unitario

     

    Entrada rampa  Entrada parabolica

    y

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    82/116

     

     b)

     

     

     

       

     

     Entrada escalón unitario

     Entrada rampa

       

     

    Entrada parabolica

       

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    83/116

     

    c)      

     

     

     

     

     

     

    Entrada escalón unitario

     

    Entrada rampa

       

     Entrada parabolica

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    84/116

     

         

     

     

       Entrada escalón unitario

     Entrada rampa

      ;    Entrada parabolica

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    85/116

     

    Constantes de error

    En la figura 7P-7 se muestra el diagrama de bloque de un sistema de control.Encuentre las constantes de error al escalón, rampa y parábola. La señal de errorse define como e(t). encuentre los errores en estado estable en termino de K y Kt

    cuando se aplican las siguientes entradas. Asumiendo que el sistema es estable.

    Como se nos pide encontrar los errores em termino de K y Kt solo se debe obteneral encontrar Y(s)/E(s), por lo cual se reduce el diagrama como sigue:

     

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    86/116

     

    Las constantes de error son:

       

     

       

     

       

     

     

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    87/116

     

     

     

    La repuesta al escalón unitario de un sistema de control lineal se muestra en lafigura 7P-12. Encontrar la función de transferencia de un sistema de segundoorden para modelar el sistema.

       Asi que

      

         

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    88/116

     

       

        √  

     

    Por tanto

    √  √   La funcion de transferencia es entonces:

       

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    89/116

     

    Para el sistema de control que se muestra en la figura 7P-7, encuentre los valoresde K y Kt, para que el sobrepaso máximo de la salida sea aproximadamente 4.3%y el tiempo de retardo td sea aproximadamente 0.1s. Utilice la ecuación 7.102 parala relación del tiempo de retardo. Simule el sistema con un programa decomputadora para verificar la exactitud de su resolución.

    Partiendo del diagrama del problema 7.7 obtenemos:

     

       

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    90/116

     

     

     

     

      Ahora  debe quedar sola así que dividimos entre la ecuación arriba y abajo entre0.2

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    91/116

     

     

    La ecuación característica para el tiempo de retardo es:

       Y la ecuación característica del sistema es

     

     

    Para el sobrepaso máximo de 4.3%

    El factor de amortiguamiento relativo se obtiene a partir de la tabla 7.3 p407 la cualpara el sobrepaso máximo de 4.3% es:

     Entonces

     

       

     Así que  es:

     

     

       

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    92/116

     

     Así que Kt es

     La función de transferencia es entonces

       

    Repetir el problema anterior ahora con sobrepaso máximo de 10% y un

    tiempo de retardo de 0.05s  La ecuación característica para el tiempo de retardo es:

       Y la ecuación característica del sistema es

       Para el sobrepaso máximo de 10%

    0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    1.2

    1.4

    Step Response

    Time (seconds)

         A    m    p     l     i     t    u     d    e

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    93/116

     

    El factor de amortiguamiento relativo  se obtiene al extrapolarlo del obtenido en latabla Donde

     

     Entonces

       

       

       

     Así que Kt es

     La función de transferencia es entonces

     

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    94/116

     

    Repetir el problema anterior ahora con sobrepaso máximo de 20% y un tiempo deretardo de 0.01s

    Para el sobrepaso máximo de 20%

    El factor de amortiguamiento relativo  se obtiene al extrapolarlo del obtenido en latabla 7.3Donde

      Entonces

     

       

     

       

    0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.30

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    1.2

    1.4Step Response

    Time ( seconds)

         A    m    p     l     i     t    u     d    e

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    95/116

     

     Así que Kt es

     La función de transferencia es entonces 

       

    ¿Cuál es la magnitud y la fase de la funcion de repuesta en frecuencia de un

    sistema con la siguiente funcion de transferencia?

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    96/116

     

    Calculo de magnitud y de fase

     Cuando se presenta una situación como esta lo mejor es trabajar la función detransferencia por parte, algo similar a las fracciones parciales.

    Escogemos esta parte; entonces tenemos:

        Se procede a realizar la multiplicación por el conjugado del denominador para no

    tener términos complejos en el mismo.

            Luego se busca la magnitud y esta viene dada por:

       

         

     

               

     

     Se calcula entonces la segunda parte

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    97/116

     

       Se realiza la multiplicación por el conjugado

             

     

       

     

     

               √ √  √  

     

         √    

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    98/116

     

    ¿Cuáles son las magnitudes y las fases de los sistemas que tienen las siguientesfunciones de transferencia?

     

          Luego se busca la magnitud y esta viene dada por:

       

                        √   

      √   

       

          

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    99/116

     

           

     

     

       

     

         

            √     √       

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    100/116

     

    Diagrama asintótico de Bode

    Polo Real

    Dibujar el diagrama asintótico de bode de la siguiente función de transferencia:

     1) Pasándolo al dominio de la frecuencia para buscar la magnitud y el ángulo

    de fase:

           

     

    X = y =

     

       

    √     

    Fase (Ǿ) = Ǿ =  2) Buscar la ganancia estática (K) suprimiendo las S:

         Como la ganancia estática es positiva, significa (K=1), a la hora de hacer la

    tabla de la fase y posteriormente el diagrama de fase, su grafica empiezaen cero grados 0⁰ 

    3) Llevamos la ganancia estática K = 1 a decibelios así:

    Lo que significa que la grafica de magnitud empiezaen 0⁰ 

       

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    101/116

     

       

    De nuestra función de transferencia podemos ver que no hay ceros, solo un polo:

    s1 = -5. Por lo que tenemos una frecuencia de 5 (W = 5) Entonces lagráfica de magnitud, inicia en cero y se mantiene allí hasta llegar a W = 5, dondeempieza a decaer a razón de -20 decibeles por década.

    Buscamos las frecuencias media, baja y alta.

     

    Para graficar la fase, como la ganancia estática K es positiva, (K = 1) se empiezaen cero grados. 0⁰ 

    Como es un polo simple (s+5) me aporta -45 grados desde w = 0.5 hasta w = 50

    FASE

           

      0 0 0 0

      0 -45 -45 0total 0 -45 -45 0

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    102/116

     

           0 0 0

      0 -45 0

    total 0 -45 0

    Diagrama asintótico de bode hecho en paint usando como plataforma la cuadriculadividida en décadas..

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    103/116

     

    Usando matlab tenemos:

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    104/116

     

    Realizar el diagrama asintótico de bode de la siguiente función detransferencia:

     

     AMPLITUDES

           45.2 0 0 0 0

      0 20 20 20   0 0 0 -40

      0 0 -20 -20

    total 0 20 0 -40

    Para encontrar el origen de la grafica se utiliza la siguiente ecuacion

     

     

    Donde:

    En el numerador se colocal el termino independiente de s y lo mismo en eldenominador, tomando en cuenta que si hay varios factores estos se debenmultiplicar, por ejemplo en el denominador de esta ecuacion tenemos , de donde escogemos los términos independiente los cuales dancomo resultado .

     

     

    Y para la fase se puede realizar la siguiente tablita para obtener los limites de lafase.

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    105/116

     

    ( √  )  

     

    FASES

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    45.2                                        

                                             total

     

     

     

      0

     

     

     

     

    Luego se suman los resultados obtenidos en cada columna

    FASES

         

       

       

       

     45.2                  

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

                                            0  total                    

    Los resultados que son iguales se simplifican así:

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    106/116

     

    La cantidad a simplificar en este caso es -90° que me aporta desde .3 hasta 10,entonces   lo convierto a:0. Y se reduce el diagrama defase para que pueda coincidir con el diagrama de magnitud

    FASES              45.2                              

                  

                0  total              

    Diagrama de bode hecho a mano

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    107/116

     

    Dibujar el diagrama asintótico de Bode de la siguiente función

      AMPLITUDES

              0 20 20 20

      0 0 -20 -20   0 0 0 -20

    total 0 20 0 -20

         

     

     

     

    FASES

         

       

         

       

      0 45 45 45 45 45 45 0 0 0

     

    0 0 -45 -45 -45 -45 -45 -45 0 0

      0 0 0 -45 -45 -45 -45 -45 -45 0total 45 0 -45 -45 -45 -45 -90 -45 0

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    108/116

     

                    0 45 45 45 0 0 0   0 0 -45 -45 -45 0 0

      0 0 0 -45 -45 -45 0total 0 45 0 -45 -90 -45 0

    FASE

    Para la magnitud, Según el cálculo la gráfica empieza en -15.6. Cuando llega a w= 1 aumenta 20 decibelios (hasta 4.4db) hasta w = 2 luego decrece 20 db hasta w= 3

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    109/116

     

    Para la fase como k es positive significa que la señal amplifica por lo que seempieza en cero grados.

    Usando mathlab:

    Dibujar el diagrama asintótico de bode de la siguiente función de transferencia:

    Polos complejos conjugados.  En este caso k = 1 por lo que la gráfica de la amplitud empieza en cero db.La tabla de la fase es como sigue:

    Termino W

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    110/116

     

    Trazar el diagrama asintótico de bode de:

     

    Buscamos la ganancia estática K.

     Llevamos la ganancia a decibelios:

    20 Log 16.66 = 24.4 db.

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    111/116

     

    Las frecuencias (W) son w1 = 0.1, w2 = 3, w3 = 5

    Termino W

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    112/116

     

    Diagrama de magnitud de la función de transferencia  

    Diagrama de fase de la función de transferencia  

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    113/116

     

    Análisis dinámico

    Dado el siguiente diagrama de bloque, determinar la repuesta escalón unitario

    Donde

    K=0.2

    Reducción del diagrama de bloque

     

       

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    114/116

     

     K=0. 2

    √  √  

            √ √  

     

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    115/116

     

    CONCLUSIÓN

     Al finalizar podemos decir que la elaboración de este trabajo ha sido una gran

    ayuda para desarrollar y aplicar los conocimientos obtenidos a lo largo de nuestra

    carrera universitaria y a la vez aplicar los conocimientos nuevos adquiridos en

    cada tema expuesto en esta materia.

    Los sistemas de control como sabemos, están formados por un gran sistema en el

    que para comprender mejor su funcionamiento se dividen en partes, las mismas

    que analizamos en este trabajo, para de esta manera resolver algún problema en

    específico que se nos presente de una manera más rápida y eficiente ya que

    conociendo los funcionamientos individuales nos hacemos una idea de cómo

    trabajan las diferentes variables de un sistema de control automático.

    Esperamos que dicho material sea de su agrado ya que está elaborado con

    mucha dedicación y esfuerzo y tratamos, cada tema para que sea de fácil

    comprensión.

  • 8/18/2019 Controles Sistema Automatico-problema Resuelto

    116/116

     

    Bibliografía.

    C. Kwo ,Benjamín, (1996),Sistemas de Control Automático,7ma edición.

    Paul H. Lewis y Chang Yang (1999),Sistemas de control en ingeniería.

    Ogata, Katsuhiko (1997),Ingeniería de Control Moderna, 5ta edición.

    Bolton W (2001),Ingeniería de control,2da edición.

    Diestefano,(1992),Retroalimentación y sistemas de control,2da edición.

    Barrientos, Antonio,Control de sistemas continuos.

    Dorf & Bishop (2005),Sistemas de control,10ma edición.

    Thomas, George, Ross, Finney (1996),Calculo en una variable,9na edición, editora

    Pearson