Análisis básico de sistemas de control y ecuaciones

Control de Ecuaciones

1. Análisis Básico de sistemas de
Control – Ecuaciones de Espacio
- Estado
Ing. Miguel Angel Niño Zambrano

2. Generalidades
Definiciones y Conceptos de
Control

3. Generalidades
•Ej. Vehículos Espaciales, Sistemas de
Guía, Sistemas piloto automático, etc.
•James Watt – Regulador Centrifujo.
•Minorsky, Hazen y Nyquist.
•Teoría de Control Clásica (Univariables)
vs. Teoría de Control Moderna
(Multivariables – Estados en el Tiempo).
•Control Optimo, Adaptación y Aprendizaje

4. Glosario
•Variable Controlada (Salida del Sistema)
•Variable Manipulada (Entrada del Sistema).
•Control (valor medio vs. Valor deseado).
•Plantas (Objeto físico a controlarse)
•Procesos (Operación a controlar)
•Sistemas
•Perturbaciones (afecta la salida del sistema)
•Control Retroalimentado (Operación ->
perturbaciones -> Reducir Salida vs Entrada de
Referencia)

5. Glosario
•Sistemas de Control retroalimentado (Mantener
relación entre Salida vs. Entrada de Referencia)
•Servosistemas o Servomecanismos (SCR
->Salida = Control Mecánico (velocidad o
aceleración)).
•Sistemas de Regulación Automática (SCR
->Entrada Ref. o Salida son Constantes –
Mantener la salida en el valor deseado).
•Sistemas de Control de Procesos (SRA – Salida
(Temperatura, Presión, flujo. Ph, etc.) vs.
Cronograma establecido)

6. Glosario
•Sistemas de Control de Lazo Cerrado (SCR).
Variaciones no previsibles.
•Sistema de Control de Lazo Abierto (Salida no
tiene efecto en el control Ej. Lavadora *-
Calibración). Sistemas en los que se conoce bien
las entradas y salidas sin perturbaciones.
•SCLA vs. SCLC (Componentes imprecisos,
Estabilidad, Costo = f(Potencia)).
•Sistemas de Control Adaptables (Ajustes en el
controlador, Características dinámicas).
•Sistemas de Control de Aprendizaje.

7. Clasificación de los Sistemas de
Control
•S.C. Lineales vs. No Lineales.
•S.C. Invariantes en el Tiempo (Parámetros
constantes) vs. Variable en el Tiempo (Ej.
Aceleración Vehículo espacial).
•S.C. Tiempo Continuo vs. Tiempo Discreto.
•S.C. Una Entrada una Salida vs. Múltiples
Entradas y Múltiples Salidas.
•S.C. Parámetros Concentrados vs. Distribuidos.
•S.C. Determinísticos vs. Estocásticos

8. Ejemplos: Sistema de Control de
Velocidad

9. Ejemplos: Sistema de Control de
Robot

10. Ejemplo: Control del Brazo del
Robot

11. Ejemplo: Sistema de Control de la Fuerza
de Agarre de la mano de un Robot

12. Ejemplo: Control Numérico de una
máquina

13. Ejemplo: Sistema de Control de
Temperatura de Un Horno

14. Ejemplo: Sistema de Control de
Temperatura de un Auto

15. Otros Ejemplos
•Sistemas de Control de Tráfico
•Sistemas Biológicos (Ecuaciones de
Volterra ampliadas)
•Sistemas de Control de Inventario
•Sistemas Empresariales

16. Elementos Básicos del Diseño de
Sistemas de Control
•Requisitos Generales de los Sistemas de
Control
–Todo Sistema de Control debe ser Estable. (absoluta
vs. Relativa), velocidad de respuesta, reducir errores
razonablemente.
•Teoría de Control Moderna (TCM) vs. Teoría
del Control Clásico (TCC).
–La TCC utiliza extensamente la función de
transferencia. Realiza el análisis en el dominio de s
y/o el dominio de la frecuencia.
–LA TCM se basa en el concepto de Espacio de
Estado, utiliza extensamente el análisis vectorial -
Matricial

17. Elementos Básicos del Diseño de
Sistemas de Control
–La TCC Brinda buenos resultados para sistemas de
control de una entrada y una salida, siendo inútil para
sistemas de múltiples entradas y salidas.
–LA TCM es buena para sistemas con Múltiples
entradas y m múltiples salidas.
–La TCC utiliza los métodos de control convencional
(PID, Lugar de Raíces, Respuestas de Frecuencia),
están basados más en la comprensión física que
matemática.
–La TCM utiliza más métodos (Espacio de Estados)
con fuerte análisis matemático, siendo más difíciles
de entender que el clásico

18. Elementos Básicos del Diseño de
Sistemas de Control
•Modelado Matemático
–Componentes de un SC (Electromecánicos,
hidráulicos, neumáticos, electrónicos, etc.), los cuales
se reemplazan con modelos matemáticos.
–No deben ser muy complicados ni muy simples,
representando los elementos esenciales de tal forma
que sus predicciones sean bastante precisas.
–Se deben tener en cuenta los isomorfismos.
–En Ingeniería del Control se usan ecuaciones
diferenciales parciales invariantes en el tiempo,
funciones de transferencia y ecuaciones de estado
para modelos matemáticos de sistemas lineales
invariantes en el tiempo.
–Las relaciones entradas- salida no lineales se linealizan
en la vecindad de los puntos de operación.

19. Elementos Básicos del Diseño de
Sistemas de Control
•Análisis y Diseño de sistemas de Control.
–Análisis: La investigación bajo condiciones específicas
del comportamiento de un sistema, cuyo modelo
matemático se conoce.
–Análisis de respuesta transitoria: La determinación de
respuesta de una planta a señales y perturbaciones de
entrada.
–Análisis de Respuesta en Estado Estacionario: La
determinación de la respuesta tras la desaparición de
la respuesta transitoria.
–Diseño: Hallar un sistema que cumpla la tarea dada.
–Síntesis: Encontrar, mediante un procedimiento
directo, un sistema de control que se comporte de un
modo específico.

20. Elementos Básicos del Diseño de
Sistemas de Control
•Método básico de diseño de Control.
–Es necesaria la utilización de procedimientos de
tanteo, por las diversas perturbaciones en los
sistemas los cuales incluyen no linealidades
–Índice de Comportamiento: Es una medida
cuantitativa del comportamiento, que indica la
desviación respecto al comportamiento ideal. Se
determina por los objetivos del S.C. Ej. Integral de
error a minimizar.
–Ley de Control: La especificación de la señal de
control durante el intervalo de tiempo de tiempo
operativo. Se busca determinar la ley de control
óptimo.

21. Elementos Básicos del Diseño de Sistemas de
Control
•Pasos de Diseño
–Dada una planta industrial, primeramente se deben elegir
sensores y actuadores a apropiados.
–Construir Modelos Matemáticos apropiados de la planta.
–Diseñar un controlador de tal modo que el sistema de lazo
cerrado satisfaga las especificaciones dadas.
–El controlador es una solución a la versión matemática del
problema de diseño.
–Simular el modelo en una computadora para verificar el
comportamiento del sistema, en respuesta a diversas
señales y perturbaciones.
–Con los resultados de simulación se debe rediseñar el
sistema y completar el análisis correspondiente.
–Construir un prototipo del sistema físico.
–Probar el Prototipo hasta cumplir con los requisitos.

22. Modelado Matemático
Representación de Sistemas
Dinámicos en Espacio de Estados

23. Modelos
•Mentales
•Lingüísticos
•Gráficos
•Matemáticos
•Software

24. Construcción de los Modelos
Matemáticos

25. Modelos Matemáticos

26. Conceptos Matemáticos
Preliminares
•Propiedades de la Transformada de Laplace.
–Método Operacional para resolver ecuaciones
diferenciales lineales (EDL).
–La EDL se transforma en una operación algebraica
en función de una variable compleja s, se resuelve la
f(s) y luego se aplica la transformada inversa de
Lapalace.
–Laplace se puede utilizar en técnicas de análisis
gráfico para predecir el funcionamiento del sistema
sin resolver las EDL.
–Resolviendo las EDL se obtienen componentes de
estado transitorio y estacionario en la solución
simultáneamente.

27. Conceptos Matemáticos Preliminares
•Variables Complejas y Función Compleja.
Conjugado Complejo )(
F(s) de Angulo )/(tan
F(s) de Magnitud )(
realesson F,F :dónde )(
1
22
yx
yx
xy
yx
yx
sFFsF
FF
FFsF
FFsF
js
-=
=
+=
+=
+=
-
q
ws

28. Conceptos Matemáticos Preliminares
•Teorema de Euler
)(
2
1
4) )(
2
1
)3
de Conjugado Complejo y
:
...
!4!3!2
1
:
...
!7!5!3
)2 ...
!6!4!2
1)1
432
753642
qqqq
qqqq
qq
qqqq
qqq
qq
qqq
q
jjjj
jjjj
x
ee
j
SeneeCos
eeejSenCosejSenCos
entonces
xxx
xe
como
SenCos
--
--
-=+=
==-=+
+-+++=
+-+-=+-+-=

29. Conceptos Matemáticos Preliminares
•Transformada de Laplace
[ ]
[ ] )0( *)(
2
1
)()(
:Inversa daTransforma
*)()()(
f(t) de Laplace de daTransforma )(

:Laplace de integral lapor sformarse tran
debe precede que cantidad la que indica que Símbolo
compleja variable
0 tpara 0 f(t) que tal t,de tiempodefunción )(
j-c
1
0
0
>==
==
=
=
=
<==
ò
ò
ò
¥+
¥
-
¥
-
¥
-
tdsesF
j
tfsFL
dtetfsFtfL
sF
dte
L
s
tf
jc
st
st
st
p

30. Conceptos Matemáticos Preliminares
•Aplicar Laplace a las funciones: (Ejemplo)
[ ]
a
aaa
a
+
=
===
³=<=
òò
¥
+-
¥
---
-
s
A
sF
dteAdteAesFAeL
Aef(t) f(t)
ststtt
t
)(
*)(
: tenemosLaplace de daTransforma la Aplicando
0. tpara ; 0 tpara ;0
:lexponenciafunción la Sea
0
)(
0

31. Función de Transferencia
•Permite caracterizar las relaciones entre la entrada y la salida
de componentes o de sistemas que pueden describirse por
ecuaciones diferenciales lineales, invariantes en el tiempo.
•Def.:La función de transferencia de un sistema de ecuaciones
diferenciales lineales invariante en el tiempo, se define como la
relación entre la transformada de Laplace de salida (función
respuesta) y la transformada de Laplace de Entrada (función
excitación), bajo la suposición que todas las condiciones
iniciales son cero.
)( para
...
...
: tiempoelen invariante lineal sistema el Sea
110
110
mn
xbxbxbxb
yayayaya
mm
nn
³
++++=
++++
-
-

32. Función de Transferencia
[ ]
[ ]
nn
nn
mm
mm
ceroInicialesCondicioes
asasasa
bsbsbsb
sX
sY
EntradaL
SalidaL
G(s)
++++
++++
==
==
-
-
-
-
1
1
00
1
1
00

...
...
)(
)(
ciaTransferen deFunción
•Utilizando este concepto de función de transferencia, se puede
representar la dinámica de un sistema por ecuaciones algebraicas en
s. Si la potencia más alta de s en el denominador de la función de
transferencia es igual a n, se dice que el sistema es de orden n.
•El concepto de función de transferencia esta limitado a sistemas de
ecuaciones diferenciales lineales invariantes en el tiempo.
•La FT es un método operacional apara expresar la ecuación diferencial
que relaciona la variable de salida con la variable de entrada.
•La FT es una propiedad de un sistema en sí, independiente de la
magnitud y naturaleza de la entrada o función impulsora.

33. Función de Transferencia
•La FT incluye las unidades necesarias para
relacionar la entrada con la salida: no obstante,
no brinda ninguna información con respecto a la
estructura física del sistema.
•Si se conoce la FT de un sistema, se puede
estudiar la salida o respuesta para diversas
formas de entradas con el objetivo de lograr una
comprensión de la naturaleza del sistema.
•Si se Conoce la FT de un sistema, se puede
establecer experimentalmente introduciendo
entradas conocidas y estudiando la respuesta o
salida del sistema, brindando la descripción de
las características dinámicas del sistema.

34. Sistema de Representación de un
Sistema de Control
•Diagrama de bloques:
G(s)
Bloque Funcional
Punto de Suma
+
-
G(s)
+
-
R(s) E(s) C(s)
B(s)
G(s)
+
-
R(s) E(s) C(s)
H(s)
Diagrama de Bloques de un Sistema de Lazo Cerrado
Señales
x y=G(s)*x
Punto de Bifurcación

35. Funciones de Transferencia del
Ejemplo anterior
)(*)(
)(
)(
sHsG
sE
sB
=
Función de Transferencia
De Lazo Abierto:
)(
)(
)(
sG
sE
sC
=
Función de Transferencia
Directa:
)(*)(1
)(
)(
)(
sHsG
sG
sR
sC
+
=
Función de Transferencia
De Lazo Cerrado:
Función de Transferencia
De Lazo Cerrado con Amplificación
De la Señal de Entrada K:
)(*)(*1
)(
)(
)(
sHsGK
sG
sR
sC
+
=

36. Representación de un SLC sometido a
perturbación
•Se pueden considerar las respuestas de las
entradas por separado y luego sumarlas.
B(s)
G1(s)+
-
R(s)
E(s) C(s)
H(s)
+
+
N(s)
G2(s)
Perturbación

37. Representación de un SLC sometido a
perturbación
)]()(*)([
)(*)(*)(1
)(
)()()(
)(*)(*)(1
)(*)(
)(
)(
)(*)(*)(1
)(
)(
)(
1
21
2
21
21
21
2
sNsRsG
sHsGsG
sG
sCsCsC
sHsGsG
sGsG
sR
sC
sHsGsG
sG
sN
sC
NR
R
N
+
+
=+=
+
=
+
=

38. Procedimientos para trazar un
Diagrama de Bloques
1.Escribir las ecuaciones que describen el
comportamiento dinámico de cada
componente.
2.Tomar las transformadas de Lapace de éstas
ecuaciones, suponiendo condiciones iniciales
cero. Cada transformada se representa
individualmente en forma de Bloque.
3.Se integran los elementos en un Diagrama de
Bloques completo.

39. Conversión de Diagramas de Bloques
Suma de Señales:
Conexión en Cascada:
=
Conexión en Paralelo:

40. Conversión de Diagramas de Bloques
Retroalimentación:
=
Traslado del Sumador:
Traslado del Punto de Salida:

41. Ejemplo 1: DB de Circuito
Cs
sI
sE
R
sEsE
sI
C
idt
e
R
ee
i
i
i
)(
)(;
)()(
)(
;
0
0
0
0
=
-
=
=
-
=
ò
R
i
e
i
e
0
Laplace:
C
-
+

42. Ejemplo 1: DB Circuito
1/R
+
-
E
i
(s) E(s) I(s)
E
0
(s)
(1)
1/Cs
I(s) E
0
(s)
(2)
1/R
+
-
E
i
(s) E(s) I(s)
E
0
(s)
(3)
1/Cs
E
0
(s)

43. Método del Espacio de Estados
•Teoría de Control Moderna (1960) Concepto de Estado.
•Teoría de Control Moderna vs. Teoría de Control
Clásica.
–Multivariable vs. Una entrada una Salida
–Dominio en el tiempo vs. Dominio en Frecuencia Complejas.
•Estado: Es el conjunto más pequeño de variables (de
Estado) tales que el conocimiento de esas variables en
t=t
0
, conjuntamente con el conocimiento de la entrada
para t >= t
0
, determinan completamente el
comportamiento del sistema en cualquier tiempo t >= t
0.
•Variables de Estado: Son las variables que constituyen
el conjunto más pequeño de variables que determinan el
estado de un sistema dinámico.

44. Método del Espacio de Estados
•Vector de Estado: Si se requieren n variables para
describir el comportamiento de un sistema dado, se
puede considerar a esas n variables como elementos de
un vector X. Determinando el estado del sistema dado
una entrada U(t) t>=0.
•Espacio de Estado: Espacio n-dimensional cuyos ejes
coordenados, consiste en el eje X
1
, X
2
, … X
n
,.
•Ecuaciones de Espacio de Estado: Se manejan tres
tipos de variables (Entrada, Salida, Estado)
SISO
MIMO

45. Método del Espacio de Estados
•Las ecuaciones empleadas son de primer orden, que
operan sobre vectores de estado:
u es un vector que contiene cada una de las p entradas al sistema,
y es un vector que contiene cada una de las q salidas del sistema,
x es un vector que contiene cada una de las n variables de estado
del sistema, es decir:

46. Método del Espacio de Estados
•Estudiaremos sistemas dinámicos lineales
invariantes en el tiempo, de múltiples entradas y
múltiples salidas. Si el sistema es continuo, su
modelo corresponderá a las ecuaciones
Matriciales:
Las Matrices deben ser
de tamaño adecuado:
A = Matriz de Estado
B = Matriz de Entrada
C = Matriz de Salida
D = Matriz de Transmisión Directa
Ecuación de Estado
Ecuación de Salida

47. Método del Espacio de Estados
Función de Transferencia
De un Integrador

48. Ejemplo 1: Sistema Eléctrico –
Circuito RLC
Aplicando la Leyes de Kirchhoff:

49. Ejemplo 1: Sistema Eléctrico –
Circuito RLC
Organizando las ecuaciones:
En forma matricial:

50. Ejemplo 1: Sistema Eléctrico –
Circuito RLC
Se desea estudiar el comportamiento de Vr(t) e IL(t), sabiendo que Vr(t) = IL*R:
La representación variable estado del circuito RLC:
Las matrices son:

51. Ejemplo 2:Motor Eléctrico
Controlado por campo
Motor de corriente continua controlado por campo, con corriente de armadura
Constante. Mueve una carga J, Coeficiente de fricción viscosa B con velocidad
angular w(t).
La ecuación es:

52. Ejemplo 2:Motor Eléctrico
Controlado por campo
Las Ecuaciones son:
Matricialmente:

53. Ejemplo 2:Motor Eléctrico
Controlado por campo
Representación 1 Espacio Estado: Salida w(t)
Representación 1 Espacio Estado: Variables de estado T(t) y W(t)

54. Representación Espacio Estado a Partir de
Ecuaciones Diferenciales – Salida sin derivadas
Método sencillo para sistemas SISO:
El sistema queda unívocamente determinado si se conocen las condiciones
Iniciales, así:

55. Representación Espacio Estado a Partir de
Ecuaciones Diferenciales – Salida sin derivadas
Así, puede escribirse la ED como:
Matricialmente:

56. Representación Espacio Estado a Partir de
Ecuaciones Diferenciales – Salida con derivadas
•Colocar método aquí

57. Relación entre Funciones de
Transferencia y Variables de estado
•Sistemas SISO la función de transferencia es:
DBAsICsG +-=
-1
)()(
Donde A, B, C y D son matrices de:
I es la matriz idéntica correspondiente
Ejemplo: Se tiene de un Sistema Mecánico las siguientes matrices:
[ ] []0 01 1
0

10
==
ú
ú
û
ù
ê
ê
ë
é
=
ú
ú
û
ù
ê
ê
ë
é
--
= DC
m
B
m
b
m
kA

58. Relación entre Funciones de
Transferencia y Variables de estado
[ ]
[ ]
ksbms
sG
solviendo
mm
b
s
m
k
s
sG
mm
b
m
k
s
s
sG
++
=
ú
ú
û
ù
ê
ê
ë
é
ï
þ
ï
ý
ü
ï
î
ï
í
ì
ú
ú
û
ù
ê
ê
ë
é
+
=
+
ú
ú
û
ù
ê
ê
ë
é
ï
þ
ï
ý
ü
ï
î
ï
í
ì
ú
ú
û
ù
ê
ê
ë
é
--
-
ú
û
ù
ê
ë
é
=
-
-
2
1
1
1
)(
:Re
1
0
*
1
*01)(
01
0
*
10
0
0
*01)(

59. Controlabilidad
•Se dice que el estado X
i
es controlable en
t0 cuando es posible transformar el
estado inicial X
i(t0)
en el estado deseado X
i(tf)

en un tiempo finito, por medio de la
selección apropiada de las entradas m
t
en
el intervalo [t
0
,t
f
].
•Si todos los estados del sistema son
controlables en t
0
, se dice que el sistema
es “completamente controlable” en t
0
.

60. Observabilidad
•Se dice que el estado X
i
es observable en t
0

cuando conocido el valor del estado X
i
en el
tiempo t
f
, la salida del sistema en el tiempo t
f
, y
conocidas las entradas en el intervalo de tiempo
[t
0
, t
f
], se puede establecer en forma única cuál
era el valor del estado X
i
en el tiempo t
0
.
•Si todos los estados del sistema son
observables en t
0
, se dice que el sistema es
“completamente observable” en t
0
.

61. Técnicas para determinar la
Controlabilidad y la Observabilidad
La Controlabilidad de un sistema depende de las matrices A y B
de la representación matricial del modelo.
Un sistema invariante en el tiempo
y con valores característicos de A
no repetidos es completamente
controlable, si y solo si, no hay fila
cero en la matriz :

B

BMB=
-1
M: Matriz Modal de A
El mismo sistema será completamente
observable si no hay columnas cero en
la matriz

C

CCM=×

62. Bibliografía