Control automático conherramientas interactivas

José Luis Guzmán Sánchez(Profesor Titular de Ingeniería de Sistemas y Automática - UAL)

Ramón Costa Castelló(Profesor Titular de Ingeniería de Sistemas y Automática - UPC)

Manuel Berenguel Soria(Catedrático de Ingeniería de Sistemas y Automática - UAL)

Sebastián Dormido Bencomo(Catedrático de Ingeniería de Sistemas y Automática - UNED)

Índice general

Prólogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX

Prefacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIIIPágina web del libro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XVIAgradecimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XVI

Nomenclatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XVIIIntroducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XVIIDiagrama de bloques básico y señales asociadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XVIIIVariables y parámetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIXFunciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXIOtros símbolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXIISímbolos interactivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXII

1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 El proceso de Bolonia: Alcance y objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Qué entendemos por visualización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 El papel de la visualización en la enseñanza del control automático . . . . . . . . . . . 51.4 Qué entendemos por interactividad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.5 El papel de la interactividad en la enseñanza del control automático . . . . . . . . . . . 71.6 Objetivos del libro: Componentes y estructuras de las herramientas interactivas . . . . 8

2. De los modelos físicos no lineales a los modelos lineales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.1 El sistema de un tanque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3. Respuesta temporal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.1 Respuesta temporal de los sistemas lineales de primer orden de tiempo continuo sin

ceros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.2 Respuesta temporal de los sistemas lineales de segundo orden de tiempo continuo sin

ceros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.3 Efecto de un cero en la respuesta temporal de sistemas lineales de primer orden de

tiempo continuo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.4 Efecto de un cero en la respuesta temporal de sistemas lineales de segundo orden de

tiempo continuo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.5 Respuesta temporal de sistemas lineales genéricos de tiempo continuo . . . . . . . . . 593.6 Dominancia en el dominio temporal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

VIII · Índice general

3.7 Ajuste de modelos en el dominio temporal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704. Respuesta en frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.1 Concepto de respuesta en frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784.2 Respuesta en frecuencia de los sistemas lineales de primer orden de tiempo continuo

sin ceros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884.3 Respuesta en frecuencia de los sistemas lineales de segundo orden de tiempo continuo

sin ceros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 934.4 Efecto de un cero en la respuesta en frecuencia de sistemas lineales de primer orden de

tiempo continuo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 994.5 Efecto de un cero en la respuesta en frecuencia de sistemas lineales de segundo orden

de tiempo continuo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034.6 Respuesta en frecuencia de sistemas lineales genéricos de tiempo continuo . . . . . . . 1064.7 El desfase en sistemas de fase no mínima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1134.8 Ajuste de modelos en el dominio de la frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

5. Relación de los parámetros de los modelos con los modelos físicos . . . . . . . . . . . . . . . 123Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1235.1 El sistema de un tanque II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

6. Sistemas en lazo cerrado y estabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1276.1 El lugar de las raíces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1316.2 El criterio de Nyquist . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1396.3 Diagramas de Bode: Margen de fase y margen de ganancia . . . . . . . . . . . . . . . . 1446.4 Limitaciones impuestas por el tiempo de retardo en sistemas en lazo cerrado . . . . . . 151

7. Diseño de sistemas de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1557.1 Errores en estado estacionario en sistemas de control con realimentación unitaria . . . 1577.2 Redes de avance y retraso de fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1637.3 Control Proporcional, Integral y Derivativo (PID) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1677.4 Diseño de controladores de retraso de fase en el dominio frecuencial . . . . . . . . . . . 1777.5 Diseño de controladores de avance de fase en el dominio frecuencial . . . . . . . . . . 1847.6 Diseño de controladores de avance y retraso de fase en el dominio frecuencial . . . . . 1897.7 Diseño de controladores de retraso de fase en el lugar de las raíces . . . . . . . . . . . . 1937.8 Diseño de controladores de avance de fase en el lugar de las raíces . . . . . . . . . . . . 1987.9 Control PI de sistemas de primer orden sin tiempo de retardo por el método de asig-

nación de polos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2067.10 Control PI de sistemas de primer orden sin tiempo de retardo por el método de can-

celación de polos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2117.11 Control PID basado en las reglas de Ziegler-Nichols en lazo abierto . . . . . . . . . . . 215

8. Control de sistemas físicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2238.1 El sistema de un tanque III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224

9. Introducción al control en el espacio de estados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2279.1 Espacio de Estados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245Índice alfabético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247