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CONTROL ANALOGO COMPENSADOR GEOMTRICO, FRECUENCIA Y PID José Fernando Pérez L. La información presenta dentro de este informe, demuestra los resultados obtenidos dentro de la temática de Control Análogo vista en la universidad Nacional Abierta y a distancia de Colombia del Grupo de Trabajo N° 203040_24 de la facultad de Ingeniería analizando temáticas como compensador diseñado por método de geométrico, compensador por método de respuesta de frecuencia y compensador PID. Siendo la UNAD una universidad virtual la temática trabajada se presenta por método de simulación y resultados obtenidos por métodos matemáticos. Palabras claves, controladores, simulink, geométrico, frecuencia, PID, compensador, raíces, Variables de estado.

I. INTRODUCCION El presente trabajo tiene como finalidad abarcar, las temáticas vistas durante el periodo académico; exponiendo los resultados obtenidos durante cada trabajo colaborativo, afianzando los conocimientos teórico prácticos; sustentando ante el tutor la viabilidad de cada controlador dando con esta informe terminación del curso a satisfacción de las partes vistas tanto estudiantes como docente.

II.

MARCO TEORICO.

Conceptos Generales: Un sistema de control automático es una interconexión de elementos que forman una configuración denominada sistema, de tal manera que el arreglo resultante es capaz de controlar se por sí mismo. Un sistema o componente del sistema susceptible de ser controlado, al cual se le aplica una señal r (t) a manera de entrada para obtener una respuesta o salida y (t), puede representarse mediante bloques (figura 1).

Figura 1 La salida del sistema se debe a la interacción de la entrada con el proceso

El vínculo entrada-salida es una relación de causa y efecto con el sistema, por lo que el proceso por controlar (también denominado planta) relaciona la salida con la entrada. Las entradas típicas aplicadas a los sistemas de control son: escalón, rampa e impulso, según se muestra en la fi gura 2.

Figura.2 Distintos tipos de entradas aplicadas a los sistemas de control.

La entrada escalón indica un comportamiento o una referencia constantes introducidos al sistema, mientras que la entrada rampa supone una referencia con variación continua en el tiempo, y la entrada impulso se caracteriza por ser una señal de prueba con magnitud muy grande y duración muy corta. La función respuesta impulso o función de transferencia es la representación matemática del sistema. Básicamente, el problema de control consiste en seleccionar y ajustar un conjunto específico de elementos tal que, al interconectarse, el sistema resultante deberá comportarse de una manera específica. Representación En Diagramas de Bloques: La representación de los sistemas por medio de diagramas de bloques se utiliza para describir, gráficamente, las partes de las que consta un sistema, así como sus interconexiones. El bloque en sí contiene la descripción, el nombre del elemento o el símbolo de la operación matemática que se ejecuta sobre la entrada r (t) para producir la salida y (t) (figura 3, a). El punto de suma se utiliza cuando a un bloque se le aplican dos o más entradas, en tanto que el bloque se sustituye por un círculo, cuya salida representa la suma algebraica de las entradas (figura 3, b). El punto de reparto, representado por un punto, se usa cuando una señal se bifurca para aplicarse a más de un bloque (figura 3, c).

Figura.3 Elementos de los diagramas de bloques.

Clasificación de Sistemas de Control: Los sistemas de control se clasifican en sistemas de lazo abierto (o no automáticos) y sistemas de lazo cerrado (retroalimentados o automáticos). Para llevar a cabo dicha clasificación, se hace la siguiente definición:

2

Acción de control: Es la cantidad dosificada de energía que afecta al sistema para producir la salida o la respuesta deseada.

Transformada de LA PLACE: Interpretación del numero S:

a) Sistema de control de lazo abierto: Es aquel sistema en el cual la acción de control es, en cierto modo, independiente de la salida. Este tipo de sistemas por lo general utiliza un regulador o actuador con la finalidad de obtener la respuesta deseada (figura 4).

Las ecuaciones diferenciales ordinarias y parciales se utilizan en la descripción matemática de los sistemas físicos en el dominio tiempo. Una ecuación diferencial ordinaria (EDO) es aquella que contiene una sola variable independiente, mientras que una ecuación diferencial parcial (EDP) tendrá dos o más variables independientes. Ejemplos de EDO ver figura.6:

Figura.4 Sistema de lazo abierto para controlar el tueste de un pan, el proceso a controlar.

La capacidad que tales sistemas tienen para ejecutar una acción con exactitud depende de su calibración. En general, los sistemas de lazo abierto están regulados por base de tiempo. Como ejemplo de dichos sistemas se citan los tostadores de pan, las lavadoras (¿automáticas), los hornos de microondas y los semáforos convencionales. b) Sistema de control de lazo cerrado. Es aquel sistema en el cual la acción de control depende de la salida. Dicho sistema utiliza un sensor que detecta la respuesta real para compararla, entonces, con una referencia. a manera de entrada. Por esta razón, los sistemas de lazo cerrado se denominan sistemas retroalimentados. El término retroalimentar significa comparar; en este caso, la salida real se compara con respecto al comportamiento deseado, de tal forma que si el sistema lo requiere se aplica una acción correctora sobre el proceso por controlar. La figura 5 muestra la configuración de un sistema retroalimentado.

Figura.6 ejemplos EDO.

Para clasificar las ecuaciones diferenciales, se definen los siguientes términos: El orden de una ecuación diferencial es el orden de la mayor derivada contenida en la ecuación. El grado de una ecuación diferencial es el exponente de la mayor derivada contenida en la ecuación. Una ecuación diferencial lineal está formada por la suma de términos lineales. Un término lineal es aquel que es de primer grado para las variables dependientes y sus derivadas; no hay productos y funciones trascendentales de las variables dependientes. Esto se puede comprobar aplicando el teorema de superposición. Una ecuación diferencial es homogénea si la variable dependiente y sus derivadas están en todos y cada uno de los términos de la ecuación; en caso contrario, se dice que la ecuación diferencial es no homogénea.

Figura.5 Diagrama de bloques de un sistema retroalimentado.

Definamos las siguientes variables: r(t) = Entrada de referencia. e(t) = Señal de error. v(t) = Variable regulada. m(t) = Variable manipulada. p(t) = Señal de perturbación. y(t) = Variable controlada. b(t) = Variable de retroalimentación como resultado de haber detectado la variable controlada por medio del sensor.

Transformada de LAPLACE con MATLAB: Evaluación de raíces:

3

En el dominio tiempo, se dice que un sistema g (t) es estable si su límite existe cuando t→∞: lím g (t) = ∞

Tabla.2 Sintaxis del comando roots

Obtención de polinomios a partir de sus raíces:

Tabla.3 Sintaxis del comando poly

Convolución: El comando conv lleva a cabo el producto de funciones representadas en el dominio s.

Tabla.1 Diagrama de polos y ceros de funciones G(s). Tabla.4 Sintaxis del comando conv.

Representación de polinomios como función racional: El comando printsys representa como función racional en s a la relación de polinomios numerador/denominado

Tabla.5 Sintaxis del comando printsys

Representación de polos y ceros en el plano s: El comando pzmap efectúa la representación gráfica de polos y ceros en el plano s de una función racional previamente definida

Tabla.6 Sintaxis del comando pzmap

Concepto Intuitivo de Estabilidad:

Considerando sistemas representados genéricamente por g(t), con coeficientes de magnitud A y definidos para tiempos mayores o iguales que cero (como los sistemas representados en la tabla 1), se tienen los siguientes casos: Sistemas estables: Puesto que los límites de los sistemas g (t) = A y g (t) = A exp (− at) existen y son, respectivamente, A y 0, los sistemas asociados son estables (figura 1 y figura 3 de la tabla 1), lo que corresponde a sistemas cuyo comportamiento es predecible. Sistemas inestables: Para el caso de g(t ) = At y g(t ) = Aeat, cuyos límites tienden a infinito, sus respectivos sistemas serán inestables (fi gura 2 y fi gura 4 de la tabla 1). Lo anterior significa que no es posible predecir su comportamiento. Sistemas marginalmente estables: Los límites de g(t) = A sen (t) y g(t) = A cos (t) no tienden a infinito, por lo que no son inestables, pero como no se puede saber en qué parte dentro del intervalo (A, −A) está su valor final, los sistemas tampoco serán estables (figura 5 y figura 6 de la tabla 1). Con estas dos condiciones, los sistemas asociados se denominarán marginalmente estables. El concepto de estabilidad se puede visualizar más fácilmente en el dominio s, ya que un sistema siempre será estable si todos sus polos están

4 a la izquierda del eje j, o bien, si existe un polo simple en el origen; cualquier otra combinación de polos hará que el sistema se considere inestable. Un sistema es inestable si tiene cuando menos un polo a la derecha del eje j, polos complejos repetidos dos o más veces en el eje j, o dos o más polos en el origen. Un sistema es marginalmente estable si tiene polos complejos conjugados simples en el eje j, es decir, polos imaginarios conjugados o con parte real igual a cero [véase tabla 1 en A sen (t) y A cos (t)]. Véase figura 7.

Figura.7 Diagrama de polos y ceros de los sistemas G1(s) y G2(s)

El cero del sistema G1(s) es: z1 = −4, mientras que sus polos son: p1 = −1.1312 y p2,3 = −2.4344 ± 2.3593 j, lo que hace estable al sistema. El cero de G2(s) es: z1 = 0, en tanto que los polos son: p1 = −7 y p2,3 = −4 ± 4 j, lo que hace estable al sistema. Cabe mencionar que son los polos los que determinan la estabilidad de los sistemas, es decir, si hay ceros en j o a la derecha del plano s, el sistema seguirá estable. El valor de la constante K del sistema se puede indicar dentro de un rectángulo colocado a la derecha del plano s; si dicho cuadro no se encuentra, se supone que K = 1.

Tal propiedad supone un producto de dos funciones, dondeuno de los términos deberá ser una función exponencial (creciente o decreciente) y el otro término podrá ser cualquier otra función que no sea exponencial, por ejemplo, potencias de t o funciones de la forma sen (t) o cos (t). Demostración:

Para transformar funciones de la forma de un producto g(t) por exponenciales, crecientes o decrecientes, se obtiene la transformada de Laplace G(s) de la función g(t), como si estuviera aislada, y a continuación se sustituye s por (s + a) o (s − a), lo que depende de que la exponencial sea (e) respectivamente. Técnica del Lugar de las Raíces: Las raíces de la ecuación característica de un sistema (polos del sistema) determinan la estabilidad absoluta y relativa del mismo. También la respuesta transitoria de un sistema viene determinada por la posición de las raíces de su ecuación característica. Para realizar el análisis del sistema ser´ a pues necesario conocer donde se encuentran los polos del mismo sobre el plano complejo. Para poder conocer los polos en bucle cerrado de forma analítica es necesario factorizar la ecuación característica lo cual resulta en la mayoría de los casos bastante

Figura.7 Diagrama de polos y ceros de los sistemas G1(s) y G2(s)

Por lo anterior, todo sistema G(s) puede representarse en su respectivo diagrama de polos y ceros. De manera análoga, a partir de cualquier diagrama de polos y ceros es posible obtener su correspondiente sistema G(s), de la forma:

Figura.7 Diagrama de polos y ceros de los sistemas G1(s) y G2(s)

Propiedades de la Transformada de LA PLACE e Interpretación: Corrimiento en frecuencia (o primer teorema de traslación): Propiedad:

complicado en la práctica. Además, si una vez calculados los polos en bucle cerrado variase algún parámetro del sistema en bucle abierto, serıa necesario volver a factorizar el sistema para realizar de nuevo su análisis. El método del lugar de las raíces consiste en un conjunto de reglas de aplicación directa, mediante las cuales se puede determinar la posición de las raíces de la ecuación característica cuando uno de los parámetros de la función de transferencia del sistema en bucle abierto varıa de −∞ a + ∞. Este método permitirá conocer, pues, la posición de los polos de un sistema en bucle cerrado (ceros de la ecuación característica) a partir del conocimiento de los polos y ceros del sistema en bucle abierto. Normalmente el diagrama del lugar de las raíces se utiliza como ayuda para el diseño de sistemas de control. La aplicación general de esta técnica se conoce como técnica del lugar de las raíces, ideada por W.R. Evans en 1948, y es un procedimiento grafico que sirve para realizar el análisis y la síntesis de sistemas de control lineales. Aunque existen programas informáticos que dibujan con precisión el lugar geométrico de las raíces, es importante conocer reglas para su trazado manual con el objetivo de facilitar el análisis y diseño de sistemas de control.

5 Ecuaciones Básicas:

Gráfica.2 de valor de K para cada rango encontrado. Figura.8 sistema en bucle cerrado.

III.



Para el intervalo [-1,6666663,-1]

LA MATEMÁTICA

COMPENSADOR DISEÑADO POR MÉTODO DEL LUGAR GEOMÉTRICO

Gráfica.3 de valor de K para cada rango encontrado

Simulacion en MATLAB:



Para el intervalo [-1, 0]

codigo.1 de las raíces y polos del sistema. Gráfica.4 de valor de K para cada rango encontrado

Tabla.2 Valores del LGR del sistema Gráfica.1 lugar geométrico de la raíz



Para k=1,52.

6 amortiguamiento

y una frecuencia natural no

amortiguada de Se debe mostrar el proceso detallado, con gráficas de lgr y plano complejo donde se muestre el aporte de cada cero y polo del sistema, de lo contrario no se hará válido el diseño para la calificación del trabajo colaborativo. 1. Tenemos el sistema Código.2 y gráfica.5 escalones unitarios del sistema del lazo cerrado



Para k=7,15. Con polos en

Código.3 y gráfica.6 escalones unitarios del sistema del lazo cerrado



Para k=9,25.

Código.5 y gráfica.8 escalones unitarios del sistema del lazo cerrado

Código.4 y gráfica.7 escalones unitarios del sistema del lazo cerrado

Tenemos que llevar el sistema a temer , para ella tomamos la ecuación característica del denominador de segundo orden. Remplazamos los datos:

Tabla.3 valores de K Parámetros característicos de la dinámica del sistema

Dado el siguiente sistema:

G p  s 

1 s 10 s  1

a. Se debe diseñar un compensador usando el método del lugar geométrico de las raíces de tal forma que al implementarlo, el nuevo sistema en lazo cerrado tenga un coeficiente de

7 Para ello tenemos un compensador de la forma:

Demostrar igualmente que se cumple con la frecuencia natural no amortiguada y coeficiente de amortiguamiento deseados. Comprobar, igualmente, mediante simulación, los parámetros calculados en el ítem b de dicho punto de la actividad.

Para encontrar la posición del polo y del cero tenemos que Para el caso del cero por conveniencia lo colocamos en

ósea

, ya que con este quitamos

el polo de

Código.6 y gráfica.13 verificación del sistema con valores manuales mediante programación en Matlab.

COMPENSADOR DISEÑADO POR MÉTODO DE FRECUENCIA Y PID.

1. Para el diseño de un compensador por el método de respuesta en frecuencia

Donde con , T e son incógnitas que hallar, para ello introducimos los comandos en Matlab para que nos muestre la función de transferencia y el diagrama de Bode

En la actividad Tarea 2 – Análisis de LGR y diseño de compensador, cuya guía encontrará en el entorno de aprendizaje colaborativo, para el punto 2, comprobar el diseño del compensador usando matlab u octave, a través del lugar geométrico de las raíces del sistema compensado, demostrando que los polos deseados se encuentran en él.

8

Código.7 y gráfica.14 diagrama de Bode

Tenemos que el margen de fase es en 18° y necesitamos una fase de 50°, para ello aplicamos un adelanto de 32° (50°-18°), ósea un controlador de adelanto. Ya que se modifica la curva de magnitud en el diagrama de Bode, por tanto, adicionaremos 6° para compensar el desplazamiento, asumiendo que el máximo adelanto de fase requerido será de 38°.

Para aproximar 0.24 tenemos que el ángulo de 37.8°. La cantidad de la modificación en la curva de magnitud en debido a la inclusión del término

es:

Grafica.15 sistema de freciencia

Aplicando la fórmula de la frecuencia de corte tenemos:

Por lo tanto:

Nos queda el compensador o controlador de adelanto de fase de la forma

Observamos que:

Lo agregamos en Matlab. Ahora por Matlab recreamos las cuentas

Código.8 código de magnitud

Encontramos ωc = 0.446 por medio de la ganancia 6.2 Código.9 recreación de cuentas

9

Mostrándonos así la función de transferencia del controlador y la graficamos.

Codigo.12 y grafica 18 caso de lazo cerrado.

Código.10 y grafica 16 función de trasferencia

2.

Punto:

Ahora graficaremos el sistema con el controlador y la planta.

Introducimos los comandos en Matlab para que nos muestre la función de transferencia, la gráfica de los polos y la respuesta ante un escalón unitario.

Codigo.11 y grafica 17 sistema del controlador y planta

Observamos que el margen de fase está en 50.4°. Ahora graficaremos para el caso de lazo cerrado

Codigo.13 y grafica 19 sistema polos y ceros.

10

Gráfica.23 punto donde la línea tangente corta el eje. Grafica.20 Respuesta ante un escalón unitario.

Gráfica.24 punto línea de la pendiente del punto de inflexión. Grafica.21 Con un acercamiento.

Observamos que la respuesta toma una forma de s y por tal razón se puede utilizar el primer método Ziegler-Nichols. Para el cual ingresamos los comandos en Matlab para encontrar la línea tangente (línea roja) y la línea de la pendiente del punto de inflexión (línea verde).

Tenemos entonces que L=9.66 y T =50 - 9.66 = 40.34. Para el controlador PID tenemos:

Para mostrar el funcionamiento del controlador utilizamos simulink. Primero hacemos el sistema en un diagrama de bloques de la forma

Grafica. 25 diagrama de bloques simulink controlador

Codigo.14 y grafica 22 resultado generado por MATLAB

Tabla.4 valores del controlador.

Para simulink.

11

IV. A.

Ventajas y desventajas de controladores:

V.

CONCLUSIÓN



Se aplicaron los conocimientos adquiridos a través del módulo del curso y las herramientas virtuales colocadas en el aula virtual. Identificando cada uno de los temas propuestos en el módulo del curso para su desarrollo.



Se afianza conocimientos adquiridos al desarrollar los ejercicios en modo práctico y dar solución a los problemas planteado.



se logra distinguir los conceptos de Controlabilidad y Observabilidad de los sistemas de estado lineales variantes en el tiempo.



Se aplica las funciones de transferencia y matrices de transferencia para el desarrollo de los ejercicios.



Se logra comprender la temática de Diseño de Controladores utilizando software de simulación obteniendo los resultados esperados y aprendiendo la formulación de los mismo teóricamente.



Se logra diseñar los compensadores y controladores PID mediante el método de respuesta en frecuencia, reglas de Ziegler-Nichols y software de simulación para el control automático de procesos como lo sugiere el tutor.

Gráfica.26 la repuesta del sistema.

Entramos a sintonizar el controlar para que nos dé una respuesta de sobre impulso menor al 10% y un tiempo de establecimiento de 3 sec. Dando como resultado

LAS UNIDADES

Grafica. 27 sintonizacion del controlador

VI.

Tabla.5 valores del controlador.

Nos queda que el controlador ya sintonizado tiene las características de:

Nos que la función de transferencia del controlador de la forma:



REFERENCIAS

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12 lib/unadsp/reader.action? ppg=179&docID=3213648&tm=1539791349526 Ñeco, R., Reinoso, O. & García, N. (2013). Diseño de sistemas continuos de control: Método derespuesta en frecuencia. En: Apuntes de sistemas de control (1 ed) (pág. 179-201). Alicante, España: Ed ECU. Recuperadodehttps://bibliotecavirtual.unad.edu.co:2538/ lib/unadsp/reader.action? ppg=202&docID=3213648&tm=1539753925045 Ñeco, R., Reinoso, O. & García, N. (2013). Diseño de sistemas continuos de control: Consideraciones sobre el diseño y acciones básicas de control. En:Apuntes de sistemas de control (1 ed) (pág. 134-145). Alicante, España: Ed ECU. Recuperado dehttps://bibliotecavirtual.unad.edu.co:2538/lib/unadsp/r eader.action? ppg=157&docID=3213648&tm=1539753140188





VII.

Ecuación característica: . Polos en -0,434+i1,45. Coeficiente de amortiguamiento ɛ=0,287. Frecuencia natural no amortiguada =1,51. Para averiguar qué tipo de amortiguamiento tenemos que utilizar la ecuación Es tipo amortiguado. 

Rangos de K:

k=9,25. Ecuación característica:

ECUACIONES

.

Valores encontrados ejercicio COMPENSADOR DISEÑADO POR MÉTODO DEL LUGAR GEOMÉTRICO. a) Identifique en la gráfica obtenida los diferentes rangos posibles para K. RTA: Donde los intervalos de k son (-∞, -1,66666675] línea verde, [-1,6666663,-1] línea roja y [-1, 0] en el eje real.

Polos en -0,334+i1,63. Coeficiente de amortiguamiento ɛ=0,2. Frecuencia natural no amortiguada =1,67. Para averiguar qué tipo de amortiguamiento tenemos que utilizar la ecuación



Para K 1,52.

Sobre impulso: 0,0014%. 

Valor de K:

Tiempo de establecimiento: 10,7891.

k=1,52. Ecuación característica:

Valor final: .

Polos en -1,78+i0,51. Coeficiente de amortiguamiento ɛ=0,961. Frecuencia natural no amortiguada =1,85. Para averiguar qué tipo de amortiguamiento tenemos que utilizar la ecuación Es tipo amortiguado.  k=7,15.

Error estacionario:

Ya que

, por la transformación de Laplace nos

queda

y finalmente

Rangos de K: 

Para K 7,15

13

Sobre impulso: 39,02%. Tiempo de establecimiento: 31,14. Valor final:

Error estacionario:

Ya que

Nos queda:

, por la transformación de Laplace nos

queda

Por tanto, nos queda:

y finalmente

Para 6 de lazo cerrado Para K= 9,25 Sobre impulso: 51,74%. Tiempo de establecimiento: 35,33.

A partir de la frecuencia natural no amortiguada y coeficiente de amortiguamiento deseados, calcule los parámetros de la respuesta a escalón unitario del sistema compensado (sobre impulso, tiempo pico, tiempo de subida, tiempo de establecimiento). Cada parámetro se debe demostrar matemáticamente.

Valor final:

Error estacionario:

RTA:

Ya que

, por la transformación de Laplace nos

queda

y finalmente

. Practica 2: Tiempo de subida

Ecuaciones de polos: Por tanto nos queda que el polo es en 1. Nos queda Nos falta encontrar Para ello tenemos que

, ósea

Tiempo de establecimiento

Tiempo pico

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