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Tema 6: Respuesta frecuencial de sistemas lineales Teoría de Sistemas Y Control Automático

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Tema 6: Respuesta frecuencialde sistemas lineales

Teoría de SistemasY Control Automático

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Índice

n Introducciónn Respuesta de un sistema lineal a señales

sinusoidalesn Transformación de Fouriern Representación gráfica de la respuesta

frecuencial¨ Diagrama de Nyquist¨ Diagrama de Bode

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Introducciónn Objetivo:

n Herramienta de análisis de sistemas (Análisis frecuencial)¨ Desarrollo en series y transformada de Fourier

n Señal de entrada muy frecuente en ingeniería¨ Sistemas eléctricos

n Régimen senoidal permanenten Transitoriosn Efectos de variaciones de cargan Armónicos en red

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Introducción¨ Sistemas mecánicos

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Introducción

n Sistemas electrónicos¨ Filtros

Filtro π

Filtro Butterworth

ConversorAC/DCBuck-boost

Oscilador en puente de Wien

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Índice

n Introducciónn Respuesta de un sistema lineal a señales

sinusoidalesn Transformación de Fouriern Representación gráfica de la respuesta

frecuencial¨ Diagrama de Nyquist¨ Diagrama de Bode

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Respuesta frecuencial de sistemas linealesn Salida en régimen permanente ante una entrada sinusoidal

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Respuesta frecuencial de sistemas lineales

n Antitransformando

n Asumiendo que el sistema alcanza un régimen permanente

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Respuesta frecuencial de sistemas linealesn Calculando los coeficientes se tiene

de donde se deduce que

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Respuesta frecuencial de sistemas linealesn Sustituyendo se llega a

n De donde se obtiene que

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Respuesta temporal

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

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Ejemplo

n Sistema de primer orden

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Ejemplon Aborsor de vibraciones

¨ Balance al cuerpo de masa Mc

¨ Balance al cuerpo de masa Ma

xa(t)

Ka

K B

Mc

Ma

xc(t)

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Ejemplo

n Para una vibración de frecuencia

n El cuerpo auxiliar haceque para una cierta frecuenciael otro cuerpo no vibre.

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Índice

n Introducciónn Respuesta de un sistema lineal a señales

sinusoidalesn Transformación de Fouriern Representación gráfica de la respuesta

frecuencial¨ Diagrama de Nyquist¨ Diagrama de Bode

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Transformación de Fouriern Sea una señal periódica de período T, entonces se puede

descomponer en suma de señales sinusoidales (armónicos)

siendo

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Ejemplo 1

http://www.kettering.edu/~drussell/Demos.html

n Señal en escalón unitario

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Ejemplo 2n Señal en rampa de pendiente 1

http://www.kettering.edu/~drussell/Demos.html

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Ejemplo 3n Señal impulsional de amplitud 1

http://www.kettering.edu/~drussell/Demos.html

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Interpretación frecuencial de la respuesta de sistemas lineales

n Sea un sistema lineal excitado con una entrada periódica

n La respuesta será

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Ejemplon Respuesta en escalón de período 20 de un sistema de

primer orden

1 3 5 7 9 11 13 15 17 190

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

cu

|G(j wi)|

cy

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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5Salida hasta el armónico 1

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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5Salida hasta el armónico 2

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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5Salida hasta el armónico 3

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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5Salida hasta el armónico 4

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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5Salida hasta el armónico 5

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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5Salida hasta el armónico 6

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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5Salida hasta el armónico 7

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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5Salida hasta el armónico 8

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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5Salida hasta el armónico 9

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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5Salida hasta el armónico 10

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Interpretación frecuencial de la respuesta de sistemas lineales

n Se observa que los armónicos de las señales decaen con el orden del armónico.¨ Armónicos muy atenuados aportan poco a la

señal¨ Se puede definir una frecuencia a partir de la

cual los armónicos aportan poco a la señal.¨ Esta frecuencia se denomina ancho de banda¨ Es una medida de la rapidez de la señal

n Los sistemas dinámicos tienden a atenuar las altas frecuencias (armónicos de alto orden)¨ Se puede definir un ancho de banda como

una medida de su rapidez

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

cu

|G(j wi)|

cy

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Transformada de Fouriern En el caso en que las señales no sean periódicas (T→∞)

la descomposición en serie se convierte en

¨ Relación con la transformada de Laplace

¨ Infinitos armónicos (definidos para toda frecuencia)

¨ Ancho de banda: rango de frecuencias de armónicossignificativos

0 1 2 3 4 5 6 70

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Frecuencia w (rad/s)

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Índice

n Introducciónn Respuesta de un sistema lineal a señales

sinusoidalesn Transformación de Fouriern Representación gráfica de la respuesta

frecuencial¨ Diagrama de Nyquist¨ Diagrama de Bode

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Representaciones gráficas

n Objetivo: representar gráficamente¨ Diagrama de Bode:

2 Gráficas escalares en escala semilogarítmica

n Módulo

n Argumento

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Magn

itude

(dB)

10-2 10-1 100 101 102 103

-180

-135

-90

-45

0

Phas

e (de

g)

Bode Diagram

Frequency (rad/sec)

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Representaciones gráficas

n Objetivo: representar gráficamente¨ Diagrama de Nyquist

n Representación en polaresn Cada punto es un valor de G(jw) para cierta frecuencia wn Curva parametrizada

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1-0.06

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0

0.01

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Diagrama de Bode

n Expresar el sistema en Forma de Bode

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Diagrama de Boden Cálculo de G(jw)

n Cálculo del módulo

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Diagrama de Bode

n Cálculo del argumento

Propiedad Aditiva:El Bode se calcula sumando el diagrama de cada

uno de sus factores

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Bode de la Ganancia

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Bode de un Cero de fase mínima

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Bode de un Cero de fase no mínima

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Bode de un integrador

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Bode de un derivador

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Bode de un polo estable

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Bode de un polo inestable

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Bode de un Polo Complejo

• Depende de d• El módulo presenta un máximo para d≤0.707

Pico de Resonancia

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Bode de un Polo Complejo

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Ejemplo 1

10-2 110-3 10 102 rad/s10-1

20

-20

m1

m2

G(jω)

0s

s5.21

10)G(+

=

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Ejemplo 1

- 90ºf2

f1

G(jω)

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Ejemplo 1

- 90ºf2

f1

G(jω)

- 90ºf2

f1

G(jω)G(jω)

10-2 110-3 10 102 rad/s10-1

20

-20

m1

m2

G(jω)

0

10-2 110-3 10 102 rad/s10-110-2 110-3 10 102 rad/s10-1

20

-20

m1

m2

G(jω)G(jω)

0

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Ejemplo 2

m1m3

G(jω)

0

m2

10-2 1 10 103 rad/s10-1 102

)10(1)G(ss

s+

=

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Ejemplo 2

-90º

f3

f1

G(jω)

f2

-180º

10-2 1 10 103 rad/s

10-1 102

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Ejemplo 3

m1m3

G(jω)

200

-20

m2

10-2 1 10 103 rad/s10-1 102

m4

)100()1()G(

++

=ssss

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Ejemplo 3

-90º f2

f1

G(jω)

10-2 1 10 103 rad/s10-1 102

90º

f3

f4

-90º f2

f1

G(jω)G(jω)

10-2 1 10 103 rad/s10-1 10210-2 1 10 103 rad/s10-1 102

90º

f3

f4

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Ejemplo 4:

10-2 10-1 100 101 102 103-180-160-140-120-100-80-60-40-20

020

módulo asintótico de G(w*j)

10-2 10-1 100 101 102 103-270

-225

-180

-135

-90Fase de G(w*j)

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Ejemplo 5:

10-1 100 101 102 103-80

-60

-40

-20

0

20módulo asintótico de G(w*j)

10-1 100 101 102 103-180

-135

-90

-45

0Fase de G(w*j)

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Trazado de Diagrama de Nyquist

n Trazado aproximado a partir del D. Bode¨ Valores a frecuencias bajas.¨ Tendencia a frecuencias altas.¨ Puntos de corte con ejes coordenados.

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Mag

nitu

de (d

B)

10-2 10-1 100 101 102 103

-180

-135

-90

-45

0

Phas

e (d

eg)

Bode Diagram

Frequency (rad/sec)

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1-0.06

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0

0.01