control i clase 5

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UNIVERSIDAD SANTIAGO DE CALI FACULTAD INGENIERIAS PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA CONTROLES I Profesor: MSc. JAVIER A. MURILLO M. 95 7. ANALISIS DE LA RESPUESTA TRANSITORIA 7.1 INTRODUCCION El primer paso para analizar un sistema de control es obtener el modelo matemático del mismo. Una vez obtenido el modelo matemático se procede a analizar su comportamiento. Normalmente la señal de entrada para un sistema no se conoce con anticipación, pero es de naturaleza aleatoria, y la entrada instantánea no puede expresarse de forma analítica. En el análisis y diseño de sistemas de control, se debe tener una base de comparación del comportamiento en diversos sistemas de control. El uso de señales de prueba se justifica porque existe una correlación entre las características de respuesta de un sistema para una señal de entrada de prueba común y la capacidad del sistema de manejar las señales de entrada reales. Las señales de prueba que se usan regularmente son funciones escalón, rampa, parábola, impulso, etc. Con estas señales de prueba, es posible realizar con facilidad análisis matemáticos y experimentales de sistemas de control, ya que las señales son funciones del tiempo muy simples. La respuesta en el tiempo de un sistema de control consta de dos partes: la respuesta transitoria y la respuesta en estado estacionario. La respuesta transitoria se refiere a la que va del estado inicial al estado final. Por respuesta de estado

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    CONTROLES I

    Profesor: MSc. JAVIER A. MURILLO M.

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    7. ANALISIS DE LA RESPUESTA TRANSITORIA

    7.1 INTRODUCCION

    El primer paso para analizar un sistema de control es obtener el

    modelo matemtico del mismo. Una vez obtenido el modelo

    matemtico se procede a analizar su comportamiento.

    Normalmente la seal de entrada para un sistema no se conoce

    con anticipacin, pero es de naturaleza aleatoria, y la entrada

    instantnea no puede expresarse de forma analtica.

    En el anlisis y diseo de sistemas de control, se debe tener

    una base de comparacin del comportamiento en diversos

    sistemas de control.

    El uso de seales de prueba se justifica porque existe una

    correlacin entre las caractersticas de respuesta de un sistema

    para una seal de entrada de prueba comn y la capacidad del

    sistema de manejar las seales de entrada reales.

    Las seales de prueba que se usan regularmente son funciones

    escaln, rampa, parbola, impulso, etc. Con estas seales de

    prueba, es posible realizar con facilidad anlisis matemticos y

    experimentales de sistemas de control, ya que las seales son

    funciones del tiempo muy simples.

    La respuesta en el tiempo de un sistema de control consta de

    dos partes: la respuesta transitoria y la respuesta en estado

    estacionario. La respuesta transitoria se refiere a la que va del

    estado inicial al estado final. Por respuesta de estado

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    estacionario se entiende la manera como se comporta la salida

    del sistema conforme el tiempo tiende a infinito.

    Para el anlisis de la respuesta transitoria usaremos Matlab y

    Simulink.

    7.2. ANLISIS EN EL DOMINIO DEL TIEMPO USANDO

    MATLAB

    7.2.1. INTRODUCCION A MATLAB

    Esta clase es una introduccin elemental a MATLAB, destinada a

    conocer y practicar algunas de las operaciones bsicas con

    funciones de transferencia. Los comandos que utilizaremos son

    los que figuran en la Tabla 1. Para mayor informacin sobre un

    comando en particular puede ejecutarse help topic o

    simplemente help comando, desde la ventana de comando de

    MATLAB.

    Tabla 1

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    7.2.2. CONVERSIN DE UNA FUNCIN DE TRANSFERENCIA

    Una funcin transferencia puede describirse en MATLAB

    utilizando dos vectores filas: uno para los coeficientes del

    numerador y otro para los coeficientes del denominador. A

    menudo se requiere para analizar o disear un sistema conocer

    la ubicacin de sus polos y ceros; dicha informacin est

    contenida en la funcin transferencia del sistema. Cuando la

    funcin de transferencia est especificada como razn de

    polinomios, podemos conocer sus polos, ceros y ganancia, o

    viceversa. Los comandos que nos permiten esto son: tf2zp, que

    de un cociente de polinomios nos devuelve los ceros, polos y

    una ganancia, y zp2tf, que de conocer los polos, ceros y la

    ganancia de un sistema nos da el numerador y denominador de

    su funcin de transferencia.

    Ejemplo 1. Supongamos la funcin transferencia

    si sacamos el 5 factor comn del numerador y factorizamos el

    denominador utilizando sus races, nos queda de la forma

    De esta manera tenemos un cero en -4 y dos polos, uno en

    y otro en , adems su ganancia .

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    Para llevar a cabo lo mismo con MATLAB, debemos ingresar los

    polinomios numerador y denominador, en forma de vectores de

    la siguiente manera:

    >>num=[5 20]

    >>den=[1 4 20]

    Observemos que para definir el vector lo hacemos colocando

    entre corchetes los coeficientes de cada trmino, ordenados de

    mayor orden al menor. Para separar las columnas del vector lo

    hacemos con un espacio, o tambin podramos utilizar coma. El

    punto y coma se puede usar al final para que el resultado de lo

    ejecutado por MATLAB no salga por pantalla.

    Si ahora ingresamos:

    >> [z,p,k]=tf2zp(num,den)

    Obtenemos:

    z=-4 p=[-2+4j -2-4j]

    k=5

    Si queremos realizar el procedimiento inverso, necesitamos

    ingresar las variables k, z y p. Con la instruccin:

    [num,den]=zp2tf(z,p,k);

    obtenemos el numerador y denominador de la funcin

    transferencia:

    num=[5 20]

    den=[1 4 20]

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    El hecho de tener el numerador y el denominador de la funcin

    de transferencia en dos variables, no significa que MATLAB la

    identifique como tal. Para ello se utiliza el comando tf, que

    describe en una sola variable la transferencia dada por su

    numerador y el denominador. Lo utilizamos de la siguiente

    forma:

    G=tf(num,den);

    Si queremos que MATLAB arme la funcin transferencia como

    cociente de productos de los ceros y los polos, para ello

    utilizamos zpk, de la siguiente forma:

    G=zpk(z,p,k);

    7.2.3. RACES DE UN POLINOMIO

    En el Ejemplo 1 vimos que el polinomio denominador de la

    funcin transferencia vena dado por: , y pudimos

    hallar sus races dado que se trata de una ecuacin de segundo

    orden.

    En polinomios de orden superior, la tarea de encontrar sus

    races no siempre es tan fcil.

    Con la funcin de MATLAB roots podemos calcular las races de

    cualquier polinomio.

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    Para ejecutar dicha funcin tenemos que ingresar el polinomio,

    como vector, recordando que los polinomios se ingresan en la

    primer componente el trmino de mayor orden y luego en forma

    descendente separados por coma o un espacio.

    Ejemplo 2. Consideremos el siguiente polinomio:

    Ingresamos el polinomio

    >> p=[1 4 4 1 20] y luego:

    >> r=roots(p);

    En lugar de hacer la operacin en dos pasos, podemos hacerlo

    solo en uno; si tipeamos r=roots([1 4 4 1 20]) obtenemos el

    mismo resultado. Las cuatro races del polinomio anterior que

    surgen de MATLAB son: 2.6445 +1.2595j y 0.6545-1.3742j.

    Si el caso es al revs, es decir, tengo las races y quiero conocer

    el polinomio, el comando poly es el que se utilizaremos.

    Siguiendo con el mismo ejemplo, supongamos que lo que

    tenemos son las races y

    . Entonces el polinomio al que le corresponden esas

    races es:

    >> P=poly([p1,p2,p3,p4]);

    Hay que tener en cuenta es que siempre que pongamos una raz

    compleja debemos poner su conjugada.

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    7.2.4. FUNCION DE TRANSFERENCIA A LAZO CERRADO

    7.2.4.1. DIAGRAMA DE BLOQUES

    Un bloque es una representacin grfica de la relacin causa-

    efecto existente entre la entrada y la salida de un sistema

    fsico. El bloque se representa mediante un rectngulo que

    contiene el nombre o la descripcin del elemento, o la

    operacin matemtica que se ejecuta sobre la entrada para

    obtener la salida.

    Comparadores:

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    Combinacin entre lneas de actuacin

    La interaccin entre bloques viene representada por lneas de

    actuacin que llevan en su extremo una flecha que indica el

    sentido del flujo.

    Combinaciones bsicas de bloques:

    Conexin serie

    Conexin paralelo

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    Conexin en anillo con realimentacin directa

    Conexin en anillo con realimentacin a travs de un

    segundo elemento

    Transposicin de ramificaciones y nudos

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    7.2.4.2. REALIMENTACION DE UN SISTEMA

    El denominador de la funcin de transferencia, D(s), se conoce

    como funcin caracterstica, pues determina, a travs de los

    valores de sus coeficientes, las caractersticas fsicas de los

    elementos que componen el sistema.

    La funcin caracterstica igualada a cero se conoce como

    ecuacin caracterstica del sistema:

    Las races de la ecuacin caracterstica se denominan polos del

    sistema. Las races del numerador N(s) reciben el nombre de

    ceros del sistema.

    Se puede demostrar que para que un sistema sea fsicamente

    realizable, el nmero de polos debe ser mayor, o al menos

    igual, que el nmero de ceros. Si fuese al contrario, esto

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    implicara que el sistema responde antes de que se produzca el

    estmulo, lo cual es fsicamente imposible.

    Supongamos que disponemos del sistema que se tiene en la

    siguiente figura

    Aplicando algebra de bloques podemos tener la funcin de

    trasferencia total del sistema como

    En MATLAB la funcin transferencia a lazo cerrado se puede

    calcular de dos formas:

    Utilizando SIMULINK (lo veremos ms adelante).

    Utilizando las funciones de MATLAB series, parallel,

    feedback y cloop.

    Para calcular la funcin transferencia a lazo cerrado G(s)

    sigamos los siguientes pasos:

    a. Definimos los numeradores y denominadores de las

    funciones transferencia de cada bloque de la siguiente

    forma:

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    numg1=0.4; deng1=1; numg2=100; deng2=[1 2 0];

    numh2=[1 0]; denh2=[1 20];

    b. Calculamos la funcin transferencia de V(s) a Y(s):

    [numvc, denvc]=feedback(numg2,deng2,numh2,denh2,-1);

    c. Ahora calculamos la funcin transferencia de E(s) a Y(s) con:

    [numec, denec]=series(numg1,deng1,numvc,denvc);

    d. Por ltimo calculamos el lazo cerrado:

    [num, den]=cloop(numec,denec,-1);

    Lo que obtuvimos son los vectores numerador y denominador

    de la funcin transferencia por separado. Recordemos que para

    ingresarla como funcin de transferencia a MATLAB, debemos

    utilizar tf.

    7.2.5. RESPUESTA AL ESCALN

    Ahora que ya sabemos manipular las funciones de transferencia,

    veremos cmo responde un sistema a un escaln unitario a

    travs de MATLAB. Para ello utilizaremos el comando de

    MATLAB step. Lo nico que necesita este comando es el

    numerador, el denominador de la funcin transferencia y una

    asignacin de tiempo.

    Calculemos la respuesta al escaln unitario de la funcin

    transferencia:

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    Si quisiramos que nos mostrara por 12 segundos, debemos

    definir un vector de tiempo. Para ello ingresemos el numerador,

    denominador y el tiempo,

    >> num=[4]

    >> den=[1 0.8 4]

    >> t=0:0.1:12;

    >> y=step(num,den,t);

    Para ver la grfica usamos el comando plot.

    >> plot(t,y)

    Y veremos

    Se han utilizado otros comando title, xlabel, ylabel y grid. Usted

    debe analizar su aplicacin.

    >> title('RESPUESTA AL ESCALON UNITARIO')

    >> xlabel('Tiempo')

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    >> ylabel('Amplitud')

    >> grid

    Si usted desea visualizar varios grficos al tiempo con el

    objetivo de comparar, puede utilizar los comandos hold on y

    hold off, que mantiene la figura y superpone la prxima que se

    simule.

    Supongamos que se desea grafica en el mismo sistema de

    coordenadas la respuesta ante el escaln unitario de las

    siguientes plantas:

    ;

    ;

    Asignamos los numeradores y denominadores de las funciones

    de transferencia y procedemos,

    >>num1=[1.5];

    >>den1=[3 1];

    >>num2=[0.8];

    >>den2=[1 0.5 1];

    >>num3=[0.6];

    >>den3=[6 1];

    >> t=0:0.1:12;

    >> y1=step(num1,den1,t);

    >> y2=step(num2,den2,t);

    >> y3=step(num3,den3,t);

    >> plot(t,y1)

    >> hold on

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    >> plot(t,y2)

    >> plot(t,y3)

    >> hold off

    >> title('RESPUESTA AL ESCALON UNITARIO')

    >> xlabel('Tiempo')

    >> ylabel('Amplitud')

    >> grid

    Y obtenemos

    Luego de ejecutar estas lneas vemos que en la figura que

    resulta, aparecen 3 grficas en el mismo color, e imposible de

    identificar cual corresponde a cada una porque todas se

    encuentran graficadas con el mismo tipo de lnea y el mismo

    color. Para ello veamos un parmetro del tipo string que

    podemos agregar al comando plot para especificaciones del

    estilo del grfico. Los parmetros que figuran en la Tabla 2 son

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    para elegir el color de la lnea, los que se encuentran en la Tabla

    3 son para elegir el estilo de la lnea y los que se encuentran en

    la Tabla 4 son para elegir el tipo de marca que aparecer sobre

    los puntos del vector graficado.

    TABLA 2

    TABLA 3

    TABLA 4

    Si realizamos nuevos arreglos como por ejemplo

    >> plot(t,y3,'-.rx')

    >> plot(t,y2,'--mo')

    >> plot(t,y2,' :bs')

    Si corremos nuevamente el archivo veremos que hay diferencia

    entre una funcin y la otra, pero seguimos sin saber cul

    corresponde a qu funcin. Para ello utilicemos el comando

    legend, que pone la leyenda que queramos a cada grfico. Es

    decir, debemos escribir legend('G1', 'G2','G3'), pero de

    antemano haber definido las funciones G1, G2 y G3.

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    7.3. ANLISIS EN EL DOMINIO DEL TIEMPO CON

    SIMULINK

    7.3.1. INTRODUCCION A SIMULINK

    Simulink es un software que funciona bajo la plataforma de

    Matlab y es una herramienta muy til para modelar, simular y

    analizar sistemas, tanto lineales como no lineales. Permite al

    usuario realizar sus estudios tanto en el dominio del tiempo

    como el de Laplace, expresar las funciones de transferencia en

    las diferentes formas incluyendo la del espacio de los estados y

    otras opciones.

    En una interfaz grfica (GUI) como la que se observa en la

    Figura 7.2.1, el usuario construye un diagrama de bloques que

    desarrollan procedimientos que realizan las operaciones

    matemticas requeridas para la solucin de un modelo.

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    Figura 7.3.1. Libreras (Izquierda) y Espacio de trabajo de Simulink (Derecha)

    7.3.2. ACCESO A SIMULINK

    Para acceder a Simulink se requiere abrir el espacio de trabajo

    de Matlab y presionar el icono Simulink o tambin

    mediante la digitacin de dicha palabra clave con letras

    minsculas en el editor de comandos. Con lo anterior se

    despliega, solamente, la ventana de ttulo Simulink Library

    Browser que se observa a la izquierda de la Figura 7.3.1. El

    espacio de trabajo de Simulink es la ventana que se observa a

    la derecha y se despliega presionando el icono Create a new

    model que se encuentra en la barra estndar o desplegando el

    men File y seleccionando sucesivamente New y Model

    (Ctrl + N).

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    7.3.3. LIBRERIAS DE SIMULINK

    Al desplegar el rbol de Simulink y haciendo clic izquierdo sobre

    su nombre se despliegan las libreras que contienen los bloques

    operacionales agrupados de acuerdo a diferentes propsitos

    comunes. Los nombres de las libreras son:

    Continuous, Discontinuities, Discrete, Look-Up Tables, Math

    Operations, Model Verification, Model-Wide Utilities, Ports &

    Subsystems, Signal Attributes, Signal Routing, Sinks, Sources y

    User-Defined Functions.

    Instalacin y Conexin de un bloque operacional

    Para la instalacin de un bloque en el espacio de trabajo de

    Simulink se selecciona de la librera con un clic izquierdo del

    mouse y en forma sostenida se arrastra hasta el espacio de

    trabajo de Simulink. Las conexiones entre dos bloques se

    realizan acercando el puntero del mouse a uno de los topes

    (entrada o salida) hasta que este cambie en forma de cruz, se

    presiona el botn izquierdo del mouse y en forma sostenida se

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    arrastra hasta el otro tope. La conexin es correcta cuando el

    puntero del mouse tome la forma de una cruz de doble trazo. Se

    debe observar una lnea con una saeta en el tope del bloque de

    entrada.

    Especificacin de un bloque operacional

    Las especificaciones mnimas requeridas en un bloque se

    relacionan con la operacin que realizan dentro del diagrama

    que representa el proceso de solucin del modelo matemtico

    del sistema.

    7.3.3.1. LIBRERA CONTINUOUS (CONTINUO)

    La Figura 7.3.2(a) muestra la ventana que se despliega al hacer

    doble clic sobre la librera Continuous y la Figura 7.3.2(b)

    muestra los conos que simbolizan a cada uno de los bloques

    que incluye esta librera. Los nombres de los bloques son:

    Derivative (Derivada), Integrator (Integrador), State-Space

    (Espacio de los Estados), Transfer Fcn (Funcin de Transferencia

    como numerador /denominador), Transport Delay (Tiempo

    Muerto), Variable Transport Delay (Tiempo Muerto Variable),

    Zero-Pole (Transferencia Muerto en la forma de zeros y polos)

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    (a)

    (b)

    Fig. 7.3.2. Librera (a) Continuous y (b) Bloques operacionales

    Los bloques de la librera Continuous representan unidades

    que se alimentan de una informacin de entrada y que al

    desarrollar sobre esta un proceso matemtico transmite el

    resultado como una informacin de salida. En la librera

    Continuous se incluyen los bloques para realizar operaciones

    matemticas continuas en el tiempo.

    De esta librera estaremos utilizando Transfer Fcn, que es un

    bloque que permitir simular las funciones de transferencia en

    Laplace.

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    Bloques Funciones de Transferencia (Transfer Fcn y

    Zero-Pole)

    La Figura 7.2.3. muestra las ventanas de especificaciones para

    las funciones de transferencia en la forma de

    numerador/denominador y en la de zeros y polos.

    (a)

    (b)

    Figura 7.3.3. Especificaciones de bloques (a) Transfer Fcn y (b) Zero-Pole

    En la Figura 7.3.3.(a), se observan los cuadros donde se

    especifican en forma matricial el numerador y el denominador

    de la funcin de transferencia mientras que en la Figura

    7.3.3.(b) los cuadros donde se incluyen en forma matricial los

    zeros, los polos y las ganancias de la funcin de transferencia Es

    comn a todas las ventanas de especificaciones de bloques

    operacionales, la inclusin de la barra de ttulo seguido de un

    pequeo cuadro con el nombre del bloque y una breve

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    descripcin de la funcin de ste. De igual manera, en la parte

    inferior se incluyen los botones OK, Cancel, Help y Apply.

    Bloque Suma (Sum)

    El bloque Sum realiza la suma algebraica de las informaciones

    de entradas alimentadas al bloque. Se encuentra en la librera

    MATH OPERATIONS (OPERADORES). Dando un doble click

    de presenta la opcin de cambiar signos.

    Bloques Ganancia (Gain y Slider Gain)

    En la misma librera se encuentra el bloque Gain que aplica un

    factor multiplicador constante a la informacin de entrada y el

    producto lo transmite como la informacin de salida. El factor

    multiplicador es la ganancia. El bloque Slider Gain realiza la

    misma operacin del bloque Gain permitiendo la variacin del

    valor de la ganancia asignada, mediante el botn deslizable,

    desde un valor mnimo hasta un mximo.

    7.3.3.2. LIBRERA SOURCES (ENTRADAS)

    La Figura 7.3.4(a). muestra la ventana que se despliega al

    hacer doble clic sobre la librera Sources y la Figura 7.3.3(b)

    los conos de los bloques incluidos en dicha librera Figura.

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    (a)

    (b)

    Figura 7.3.4. Librera Sources (a). Bloques de la librera Sources (b)

    La librera Sources contiene un conjunto de bloques de donde

    emergen seales que representan los cambios en las variables

    de entrada. Estos bloques solo tienen puertos de salida, es

    decir, no tienen puertos de entrada. A continuacin se describen

    los bloques Step, Ramp, Sine Wave, Constant, Clock, Digital

    Clock, Signal Generator.

    Bloques Paso y Rampa (Step y Ramp)

    La Figura 7.3.5. muestra la ventana

    de especificaciones del bloque

    Step. En el cuadro Step Time se

    introduce el tiempo transcurrido para

    que la variable de entrada cambie

    desde un valor inicial que se

    introduce en el cuadro Initial value

    hasta un valor final que se introduce

    en el cuadro Final value. Este

    bloque representa el escaln.

    Figura 7.3.5.

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    7.3.3.3. LIBRERA SINKS (SALIDAS)

    La librera Sinks contiene un conjunto de bloques receptores

    de seales de salida y, por lo tanto, solo tienen puertos de

    entrada. Mediante estos bloques se observan los resultados de

    las simulaciones en diferentes formas, por ejemplo, grfica o

    numrica. La Figura 7.3.6(a) muestra la ventana que se

    despliega al hacer doble clic sobre la librera Sinks y la Figura

    7.3.6(b) muestra los botones que se incluyen en dicha librera.

    Los botones Scope, Floating Scope y XY Graph despliegan

    la informacin de salida en funcin del tiempo, en forma grfica.

    El botn Scope no requiere especificaciones y Floating Scope

    se utiliza para representar en grficos separados los perfiles de

    cada una de las informaciones de salida, para lo cual se hace

    doble clic sobre el icono, se presiona el cuadro Parameters y

    se introducen el nmero de grficos en el cuadro Number of

    axes. El botn XY Graph requiere de las especificaciones de

    los valores lmites en los ejes de representacin de las variables

    X e Y. La Figura 10.19 muestra la ventana de

    especificaciones de los botones Floating Scope y XY Graph.

    Fig. 10.19

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    (a)

    (b)

    Figura 7.3.6. Librera Sinks

    El botn Scope cumplir la funcin de osciloscopio en diagrama.

    7.3.4. SIMULACION DE UN SISTEMA CON SIMULINK

    Lo primero que hay que hacer es abrir una ventana de trabajo

    que puede ser nueva o existir previamente.

    Para el caso de que se desee crear

    un nuevo trabajo se procede como

    se indica en la figura.

    Necesitaremos adems una fuente

    de seal, en nuestro caso un

    escaln unitario (step) que se

    encuentra en la librera sources, se

    arrastra al espacio de trabajo.

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    Para poder ver la seal recurriremos a un sumidero de seal

    (Sinks) que seleccionaremos en la ventana de SIMULINK. Igual

    que antes aparecer una ventana con todos los sumideros

    disponibles, de la que seleccionaremos el visor osciloscopio

    (Scope) y lo arrastraremos con el ratn hasta la ventana de

    trabajo.

    Supongamos que deseamos simular la funcin de transferencia

    .

    Necesitamos entonces el bloque Transfer Fcn que se encuentra

    en la librera continuous. Se selecciona y se arrastra. En ella

    hacemos doble click para cambiar los valores. Se deben

    introducir los coeficientes entre corchetes, tanto para el

    numerador como para el denominador.

    Ya nicamente falta unir la fuente con la funcin de

    transferencia y esta con el osciloscopio, lo que se hace pulsando

    con el ratn sobre la pequea flecha de salida del bloque inicial

    y arrastrando hasta la flecha de llegada del bloque destino. El

    diagrama queda finalmente as:

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    Para ejecutar la simulacin desplegar Simulation y Start .

    Ver el resultado de la simulacin en el scope dndole doble

    click.

    Las conexiones se pueden borrar dndole click a cada una y

    suprimindolas.

    Realicemos una realimentacin al sistemas, adicionando el

    bloque sum que se encuentra en la librera Maths

    Operations, Se arrastra y se puede cambiar el signo de las

    entradas dndole doble click en l. Trate formar el circuito as:

    Ejectelo y se debe tener como

    respuesta

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    Esta respuesta no es muy clara.

    Para mejorarla, en ella se

    presiona click derecho y se

    selecciona autoescala. La nueva

    imagen es:

    Adicinele un bloque de ganancia como por ejemplo;

    En SIMULINK se pueden realizar simulaciones ms complejas.

    Por ejemplo la de un sistema mecnico representado por su

    funcin de transferencia continua.

    Realiza y simula el siguiente esquema de bloques

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    7.3.4.1. EFECTOS DE LA REALIMENTACION EN SISTEMAS

    DE CONTROL.

    La realimentacin en los sistemas de control es supremamente

    importante, ya que permite que se pueda comparar la seal

    de salida con la seal de referencia; para que el sistema trate

    de corregir el error.

    Trataremos de hacer un paralelo entre los sistemas de lazo

    abierto y los de lazo cerrado con el nimo de mostrar las

    ventajas de disponer de la realimentacin y al mismo tiempo

    observar los efectos presentados en el error y en la

    sensibilidad.

    SENSIBILIDAD

    La sensibilidad es una manera de medir la dependencia o

    comportamiento del sistema respecto a variacin en sus

    parmetros. Representaremos la sensibilidad como y se lee

    la sensibilidad de la planta con funcin de transferencia T

    respecto al parmetro k.

    Se define como

    . Si

    , diremos que el sistema es

    insensible.

    EJEMPLO 1:

    a. Dado el sistema en lazo abierto.

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    Hallar .

    Para este caso se tiene que

    La sensibilidad sera

    Decir que significa decir que el sistema es muy

    sensible ante variaciones de K.

    b. Para el mismo sistema anterior pero en lazo cerrado. Hallar

    su sensibilidad .

    Primero encontramos en lazo cerrado. Recordemos que

    . Para este caso sera:

    Encontramos

    La sensibilidad respecto a K ser

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    Del resultado podemos notar que si y si

    .

    De estos ejemplos podemos concluir que la realimentacin

    mejora la estabilidad del sistema respecto al parmetro K.

    ERROR DE ESTADO ESTACIONARIO

    El error en estado estacionario es una medida de la

    exactitud de un sistema de control para seguir una entrada

    dada, despus de desaparecer la respuesta transitoria.

    Se analizar el error en estado estacionario provocado por

    la incapacidad del sistema de seguir determinados tipos de

    entradas.

    El que un sistema dado presente o no un error en estado

    estacionario ante determinado tipo de seal de entrada,

    depende del tipo de funcin de transferencia de lazo abierto

    del sistema.

    El error en un sistema se define como la diferencia entre la

    salida y la seal de referencia.

    Para un sistema en lazo abierto el error es:

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    Pero

    Para un sistema en lazo cerrado el error ser:

    El error en estado

    estacionario es el valor

    absoluto de la

    diferencia entre el

    valor de referencia y el

    valor en estado

    estable. Se define

    como:

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    Calculemos ahora el para cada sistema tanto en lazo

    abierto como en lazo cerrado.

    Lazo abierto

    En la grfica puede notar dicho error.

    Lazo cerrado

    Como se muestra en la figura.

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    EJERCICIOS

    1. Para cada una de las funciones de transferencia se pide:

    La sensibilidad esttica

    La constante de tiempo

    El coeficiente de amortiguamiento

    La frecuencia natural del sistema

    El mximo pico

    El tiempo de pico

    El tiempo de establecimiento

    Error de estado estacionario

    Polos y ceros de cada sistema.

    Simulacin en SIMULINK para tener respuestas en lazo abierto

    y en lazo cerrado.

    Ajuste un parmetro K a la entrada de la planta en lazo cerrado

    y determine la sensibilidad del sistema frente a dicho

    parmetro. Muestre en SIMULINK qu ocurre para valores

    pequeos y valores grandes de K.

    a.

    b.

    c.

    d.

    e.

    d.