domingo, 18 de marzo de 2012

3.1 Funciones de Transferencia

En la teoría de control, a menudo se usan las funciones de transferencia para caracterizar las relaciones de entrada-salida de componentes o de sistemas que se describen mediante ecuaciones diferenciales lineales invariantes con el tiempo. Empezaremos por definir la función de transferencia y proseguiremos con una derivación de la función de transferencia de un sistema mecánico.



La función de  transferencia de un sistema descrito mediante una ecuación diferencial lineal e invariante con el tiempo se define como el cociente entre la transformada de  Laplace  de la salida (función de respuesta) y la transformada de Laplace  de la entrada (función de excitación) bajo la suposición de que todas las condiciones iniciales son cero.
Considere el sistema lineal e invariante con el tiempo descrito mediante la siguiente ecuación diferencial: 

En donde y es la salida del sistema y  x es la entrada. La función de transferencia de este sistema se obtiene tomando la transformada de  Laplace de ambos miembros de la ecuación bajo la suposición de que todas las condiciones iniciales son cero, o bien.

A partir del concepto de función de transferencia, es posible representar la dinámica de un sistema mediante ecuaciones algebraicas en s.  Si la potencia más alta de s en el denominador de la función de transferencia es igual a  >t,  el sistema se denomina  sistema de n-ésimo orden.

La aplicación del concepto de función de transferencia está limitada a los sistemas descritos mediante ecuaciones diferenciales lineales invariantes con el tiempo. Sin embargo, el enfoque de la función de transferencia se usa extensamente en el análisis y diseño de dichos sistemas.
A continuación se presentan algunos comentarios importantes relacionados con la función de transferencia. (Observe que, en la lista, los sistemas a los que se hace referencia son aquellos que se describen mediante una ecuación diferencial lineal e invariante con el tiempo.)

1. La función de transferencia de un sistema es un modelo matemático porque es un método operacional para expresar la ecuación diferencial que relaciona la variable de salida con la variable de entrada.
2. La función de transferencia es una propiedad de un sistema, independiente de la magnitud y naturaleza de la entrada o función de excitación.
3. La función de transferencia incluye las unidades necesarias para relacionar la entrada con la salida; sin embargo, no proporciona información acerca de la estructura física del sistema. (Las funciones de transferencia de muchos sistemas físicamente diferentes pueden ser idénticas.)
4. Si se conoce la función de transferencia de un sistema, se estudia la salida o respuesta
para varias formas de entrada, con la intención de comprender la naturaleza del sistema.
5. Si se desconoce la función de transferencia de un sistema, puede establecerse experimentalmente introduciendo entradas conocidas y estudiando la salida del sistema. Una vez establecida una función de transferencia, proporciona una descripción completa de las características dinámicas del sistema, a diferencia de su descripción física.




viernes, 16 de marzo de 2012

2.3 Comparación entre Lazos


Sistemas de control en lazo cerrado en comparación con los sistemas en lazo abierto


Una ventaja del sistema de control en lazo cerrado es que el uso de la realimentación vuelve la respuesta del sistema relativamente insensible a las perturbaciones externas y a las variaciones internas en los parámetros del sistema. Por tanto, es posible usar componentes relativamente precisos y baratos para obtener el control adecuado de una planta determinada, en tanto que hacer eso es imposible en el caso de un sistema en lazo abierto.

Desde el punto de vista de la estabilidad, el sistema de control en lazo abierto es más fácil de desarrollar, porque la estabilidad del sistema no es un problema importante. Por otra parte, la estabilidad es una función principal en el sistema de control en lazo cerrado, lo cual puede conducir a corregir en exceso errores que producen oscilaciones de amplitud constante o cambiante.

Debe señalarse que, para los sistemas en los que se conocen con anticipación las entradas y en los cuales no hay perturbaciones, es aconsejable emplear un control en lazo abierto. Los sistemas de control en lazo cerrado sólo tienen ventajas cuando se presentan perturbaciones impredecibles  y/o variaciones impredecibles en los componentes del sistema.

Observe que la valoración de la energía de salida determina en forma parcial el costo, el peso y el tamaño de un sistema de control. La cantidad de componentes usados en un sistema de control en lazo cerrado es mayor que la que se emplea para un sistema de control equivalente en lazo abierto. Por tanto, el sistema de control en lazo cerrado suele tener costos y potencias más grandes. Para disminuir la energía requerida de un sistema, se emplea un control en lazo abierto cuando puede aplicarse. Por lo general, una combinación adecuada de controles en lazo abierto y en lazo cerrado es menos costosa  y ofrecerá un desempeño satisfactorio del sistema general

2.2 Sistemas de control en lazo abierto


Sistemas de control en lazo abierto




Los sistemas en los cuales la salida no afecta la acción de control se denominan  sistemas de control en lazo abierto.

En otras palabras, en un sistema de control en lazo abierto no se mide la salida ni se realimenta para comparar la con la entrada. Un ejemplo práctico es una lavadora. El remojo, el lavado y el enjuague en la lavadora operan con una base de tiempo. La máquina no mide la señal de salida, que es la limpieza de la ropa.


En cualquier sistema de control en lazo abierto, la salida no se compara con la entrada de referencia. Por tanto, a cada entrada de referencia le corresponde una condición operativa fija; como resultado, la precisión del sistema depende de la calibración. Ante la presencia de perturbaciones, un sistema de control en lazo abierto no realiza la tarea deseada.

En  La práctica, el control en lazo abierto sólo se usa si se conoce la relación entre la entrada y la salida y si no hay perturbaciones internas ni externas. Es evidente que estos sistemas no son de control realimentado. 


Observe que cualquier sistema de control que opere con una base de tiempo es en lazo abierto. Por ejemplo, el control del tránsito mediante señales operadas con una base de tiempo es otro ejemplo de control en lazo abierto.

2.1 Sistemas de control en lazo cerrado


Sistemas de control realimentados o control en lazo cerrado:



Un sistema que mantiene una relación prescrita entre la salida y la entrada de referencia, comparándolas y usando la diferencia como, se denomina  sistema de control realimentado.  


Un ejemplo sería el  sistema de control de temperatura de una habitación. Midiendo la temperatura real y comparándola con la temperatura de referencia (la temperatura deseada), el termostato activa o desactiva el equipo de calefacción o de enfriamiento para asegurar que la temperatura, de la habitación se conserve en un  nivel cómodo  sin considerar las condiciones externas.



Los sistemas de control realimentados no se limitan a la ingeniería, sino que también se encuentran en diversos campos ajenos a ella. Por ejemplo, el cuerpo humano es un sistema de control realimentado muy avanzado tanto la temperatura corporal como la presión sanguínea se conservan constantes mediante una realimentación fisiológica. De hecho, la realimentación realiza una función vital: vuelve el cuerpo humano relativamente insensible a las perturbaciones externas, por lo cual lo habilita para funcionar en forma adecuada en un ambiente cambiante.

Los sistemas de control realimentados se denominan también  sistemas de control en  lazo  cerrado.  En la práctica, los términos control  realimentado y control en lazo cerrado se usan indistintamente. 


En un sistema de control en lazo cerrado, se alimenta al controlador la señal de error de actuación, que es la diferencia entre la señal de entrada y la señal de realimentación (que puede ser la señal de salida misma o una función de la señal de salida y sus derivadas  y/o integrales), a fin de reducir el error  y llevar la salida del sistema a un valor conveniente. El término control en lazo cerrado siempre implica el uso de una acción de control realimentado para reducir el error del sistema.

1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL

¿QUÉ ES UN SISTEMA DE CONTROL?
Los sistemas de control están formados por un conjunto de dispositivos de diversa naturaleza (mecánicos, eléctricos, electrónicos, neumáticos, hidráulicos) cuya finalidad es controlar el funcionamiento de una máquina o de un proceso.
En todo sistema de control podemos considerar una señal de entrada que actúa sobre el mismo y una señal de salida proporcionada por el sistema, según el siguiente esquema:




Un sistema dinámico puede definirse conceptualmente como un ente que recibe unas acciones externas o variables de entrada, y cuya respuesta a estas acciones externas son las denominadas variables de salida. 
Las acciones externas al sistema se dividen en dos grupos, variables de control, que se pueden manipular, y perturbaciones sobre las que no es posible ningún tipo de control.

La  Figura ilustra de un modo conceptual el funcionamiento de un sistema.  

Dentro de los sistemas se encuentra el concepto de sistema de control. Un sistema de control es un tipo de sistema que se caracteriza por la presencia de una serie de elementos que permiten influir en el funcionamiento del sistema. La finalidad de un sistema de control es conseguir, mediante la manipulación de las variables de control, un dominio sobre las variables de salida, de modo que estas alcancen unos valores prefijados (consigna).
 Un sistema de control ideal debe ser capaz de conseguir su objetivo cumpliendo los siguientes requisitos:

1.  Garantizar la estabilidad y, particularmente, ser robusto frente a perturbaciones y errores en los modelos.

2.  Ser tan eficiente como sea posible, según un criterio preestablecido. Normalmente este criterio consiste en que la acción de control sobre las variables de entrada sea realizable, evitando comportamientos bruscos e irreales.

3.  Ser fácilmente implementable y cómodo de operar en tiempo real con ayuda de un ordenador.
Los elementos básicos que forman parte de un sistema de control y permiten su manipulación son los siguientes:

 -  Sensores. Permiten conocer los valores de las variables medidas del sistema.

-  Controlador. Utilizando los valores determinados por los sensores y la consigna impuesta, calcula la acción  que debe aplicarse para modificar las variables de control en base a cierta estrategia.

-  Actuador. Es el mecanismo que ejecuta la acción calculada por el controlador y que modifica las variables de control.

La figura ilustra el esquema de funcionamiento de un sistema de control  genérico.  

lunes, 5 de marzo de 2012

Sistemas de Control para Ingeniería, 3ra Edición – Norman S. Nise


Este libro introduce a estudiantes a la teoría y practica de ingeniería de sistemas de control. el texto destaca la aplicación practica de la materia al análisis y diseño de sistemas realimentados.
Esta tercera edición ofrece una clara y completa introducción a la teoría y práctica de la ingeniería de control, una manera esencial y con amplia variedad y aplicaciones en la ingeniería eléctrica, electrónica, mecánica y química. El texto destaca la aplicación practica a los análisis y diseño de sistemas de retroalimentación. Las características clave de esta edición son: una organización estandarizada de los capítulos, explicaciones cualitativas y cuantitativas, abundantes ejemplos y ejercicios de evaluación, estudios de casos reales en todo el texto, ilustraciones claras y numerosos problemas al final de cada capitulo. Se señala con un icono todos los ejemplos y problemas de diseño . MATLAB se utiliza a lo largo del texto para la solución de problemas y los estudios de casos.


Descargar libro aqui: http://www.fileserve.com/file/xw8V2Kv

Sistemas de Control Automático, 7ma Edición – Benjamin C. Kuo


Una gran cantidad de pensamiento, re-alimentación y esfuerzo se han invertido en la elaboración y preparación de la séptima edición. Este formato que comenzó en la sexta edición es ahora casi un estándar entre los textos introductorios sobre sistemas de control. Parece ser que mejora la lectura y la presentación gráfica de temas complejos.
Este libro ha sido actualizado para reflejar el empleo de la computadora cada vez mayor en el aprendizaje y el diseño. La séptima edición de Sistemas de Control Automático presenta un nuevo enfoque accesible con el fin de que los estudiantes que llevan cursos introductorios de sistemas de control puedan conservar la profundidad y el rigor del clásico “best-seller” de Benjamin Kuo.
Esta nueva edición integra varias aplicaciones del mundo real a través del texto, el cual abarca el análisis y diseño. El texto incluye también abundantes ejemplos ilustrativos y problemas, para resaltar los puntos importantes y las observaciones.

Contenido:
1. Introducción
2. Fundamentos Matemáticos
3. Funciones de transferencia, diagramas de bloques y gráficas de flujo de señales
4. Modelado matemático de sistemas físicos
5. Análisis de variable de estado
6. Estabilidad de sistemas de control lineales
7. Análisis de sistemas de control en el dominio del tiempo
8. La técnica del lugar geométrico de las raíces
9. Análisis en el dominio de la frecuencia
10. Diseño de sistemas de control
11. Diseño de sistemas de control en tiempo discreto
Apéndice A. Trazas en el dominio de las frecuencias
Apéndice B. Tabla de transformadas de 
Laplace
Apéndice C. Tabla de transformadas Z
Respuestas y sugerencias a problemas selectos


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