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Diseño de controladores mediante el lugar de las raíces ITESM Campus GDL Dr. Jorge Rivera Dominguez Ingeniería de control

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Page 1: Diseño de controladores mediante el lugar de las raíces ITESM Campus GDL Dr. Jorge Rivera Dominguez Ingeniería de control

Diseño de controladores mediante el lugar de las raíces

ITESM Campus GDL

Dr. Jorge Rivera Dominguez

Ingeniería de control

Page 2: Diseño de controladores mediante el lugar de las raíces ITESM Campus GDL Dr. Jorge Rivera Dominguez Ingeniería de control

Diseño de controladores mediante el lugar de las raíces

Tipos de controladores a diseñar:

• Controlador en adelanto

• Controlador en atraso

• Controlador de adelanto-atraso

• Sintonización fina de PID’s

Cabe destacar que estos mismos controladores se pueden diseñar también con técnicas de la respuesta en frecuencia (Bode, Nyquist y Nichols).

Page 3: Diseño de controladores mediante el lugar de las raíces ITESM Campus GDL Dr. Jorge Rivera Dominguez Ingeniería de control

SISTEMAS DE SEGUNDO ORDEN

Recordando los sistemas de segundo orden

11)()(

22

2

nnnn

n

sssVisVo

222

22

nndn

nd

dnd

nd

nd

jj

j

1

1

1

2

2

2

dndn

n

jsjssVisVo

2

)()(

Page 4: Diseño de controladores mediante el lugar de las raíces ITESM Campus GDL Dr. Jorge Rivera Dominguez Ingeniería de control

SISTEMAS DE SEGUNDO ORDEN

Triangulación de los polos complejos

n

n

ndn

sin

d 22

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SISTEMAS DE SEGUNDO ORDEN

1.- Subamortiguado

Respuesta transitoria oscilatoria

2.- Amortiguamiento

critico

Respuesta empieza a oscilar

3.- Sobreamortiguado

Respuesta nunca oscila

4.- No amortiguado Respuesta oscilatoria o inestable

10

1

1

0

Page 6: Diseño de controladores mediante el lugar de las raíces ITESM Campus GDL Dr. Jorge Rivera Dominguez Ingeniería de control

SISTEMAS DE SEGUNDO ORDEN

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SISTEMAS DE SEGUNDO ORDEN

Para un criterio del

2%

Para un criterio del

5%

21

1;

eMp

Tp

tanTr

d

n

d

dn

Ts

4

n

Ts

3

Page 8: Diseño de controladores mediante el lugar de las raíces ITESM Campus GDL Dr. Jorge Rivera Dominguez Ingeniería de control

Efecto de la adición de polos

La adición de un polo a la función de transferencia en lazo abierto tiene el efecto de jalar el lugar geométrico de las raíces a la derecha, lo cual tiende a disminuir la estabilidad del sistema y alentar el asentamiento de la respuesta.

Page 9: Diseño de controladores mediante el lugar de las raíces ITESM Campus GDL Dr. Jorge Rivera Dominguez Ingeniería de control

Efecto de la adición de ceros

La adición de un cero a la función de transferencia en lazo abierto tiene el efecto de jalar el lugar geométrico de las raíces hacia la izquierda , con lo cual el sistema tiende a ser más estable y se acelera el asentamiento de la respuesta.

Page 10: Diseño de controladores mediante el lugar de las raíces ITESM Campus GDL Dr. Jorge Rivera Dominguez Ingeniería de control

Condiciones de ángulo y magnitud

Considere el siguiente sistema

Tiene como ecuación característica a:

)()(1

)(

)(

)(

sHsG

sG

sR

sC

0)()(1 sHsG

Page 11: Diseño de controladores mediante el lugar de las raíces ITESM Campus GDL Dr. Jorge Rivera Dominguez Ingeniería de control

Condiciones de ángulo y magnitud

Lo que implica que

Entonces la condición de ángulo es

Y la condición de magnitud es

,...2,1,0)12(1801

1)()(

kk

sHsG

,...2,1,0)12(180)()( kksHsG

1)()( sHsG

Page 12: Diseño de controladores mediante el lugar de las raíces ITESM Campus GDL Dr. Jorge Rivera Dominguez Ingeniería de control

Condiciones de ángulo y magnitud

• Los valores de s que cumplen tanto las condiciones de ángulo como la de magnitud son las raíces de la ecuación característica o los polos en lazo cerrado.

• El lugar de las raíces es una gráfica de los puntos del plano complejo que solo satisfacen la condición de ángulo.

• La raíces de la ecuación característica que corresponden a un valor especifico de la ganancia se determinan a partir de la condición de magnitud.

Page 13: Diseño de controladores mediante el lugar de las raíces ITESM Campus GDL Dr. Jorge Rivera Dominguez Ingeniería de control

Controlador en adelanto

La función de transferencia del controlador en adelanto es

)10(1

1

)(

Ts

Ts

KsG CC

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Controlador en adelanto

Los parámetros se eligen de tal forma que el controlador en conjunto con la planta satisfacen los requerimientos de respuesta transitoria en lazo cerrado, satisfaciendose las condiciones de ángulo y magnitud.

TKC ,,

Page 15: Diseño de controladores mediante el lugar de las raíces ITESM Campus GDL Dr. Jorge Rivera Dominguez Ingeniería de control

Controlador en atraso

Función de transferencia del controlador en atraso

)1(1

1

ˆ)(

Ts

Ts

KsG CC

Page 16: Diseño de controladores mediante el lugar de las raíces ITESM Campus GDL Dr. Jorge Rivera Dominguez Ingeniería de control

Controlador en atraso

Cuando el sistema ya exhibe características satisfactorias de la respuesta transitoria pero no de la respuesta en estado estable, significa que el controlador no debe modificar de forma significativa los polos en lazo cerrado para conservar la respuesta transitoria; solo debe incrementarse la ganancia en lazo abierto en la medida que se necesite.

Page 17: Diseño de controladores mediante el lugar de las raíces ITESM Campus GDL Dr. Jorge Rivera Dominguez Ingeniería de control

Controlador en atraso

Esto se logra con el compensador en atraso. De modo que para que el controlador no afecte demasiado la respuesta transitoria debe de aportar una cantidad muy pequeña de ángulo, por ejemplo 5.

Page 18: Diseño de controladores mediante el lugar de las raíces ITESM Campus GDL Dr. Jorge Rivera Dominguez Ingeniería de control

Recordando la constante de error de velocidad Kv:

Si N=0,

Si N=1,

Si N>=2

0

1)(

s

KessGlimK

veev

)(0 eKv

11 11)(1 dcvdcv KKeKK

0)( eKv

Controlador en atraso

Page 19: Diseño de controladores mediante el lugar de las raíces ITESM Campus GDL Dr. Jorge Rivera Dominguez Ingeniería de control

Controlador en atraso

Si se desea disminuir el error en estado estable finito para entradas rampas, se tiene que aumentar el Kv.

Ahora, la constante de error de velocidad es

vC

vC

Cv

KK

s

KsGlim

s

sGssGlimK

ˆ

0

)(

0

)()(ˆ

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Controlador en atraso

Entonces la nueva constante de error de velocidad se incrementa en un factor de en donde .

El polo y el cero del controlador deben de ponerse cerca del origen y la razón entre el valor del cero y del polo escogidos debe ser igual al valor de .

CK̂

1ˆ CK

Page 21: Diseño de controladores mediante el lugar de las raíces ITESM Campus GDL Dr. Jorge Rivera Dominguez Ingeniería de control

Controlador de adelanto-atraso

La compensación de adelanto básicamente acelera la respuesta e incrementa la estabilidad del sistema.

La compensación en atraso mejora la precisión en estado estable del sistema, pero reduce la velocidad de la respuesta.

Entonces si se desea mejorar tanto la respuesta transitoria como la de estado estable, se debe de usar un controlador de adelanto-atraso.

Page 22: Diseño de controladores mediante el lugar de las raíces ITESM Campus GDL Dr. Jorge Rivera Dominguez Ingeniería de control

Controlador de adelanto-atraso

Función de transferencia de un controlador de adelanto-atraso.

Suponga que Kc pertenece a la parte de adelanto del controlador de adelanto-atraso.

)1,(1

11

)(

2

2

1

1

Ts

Ts

Ts

Ts

KsG CC

Page 23: Diseño de controladores mediante el lugar de las raíces ITESM Campus GDL Dr. Jorge Rivera Dominguez Ingeniería de control

Sintonización fina de PID’s

Las reglas de sintonización de Ziegler-Nichols en realidad son un punto inicial para la verdadera sintonización del PID.

El PID aporta dos ceros, un polo en el origen y una ganancia. La sintonización fina es mediante el lugar de las raíces, moviendo los ceros y la ganancia del PID para obtener una respuesta optima.

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Sintonización fina de PID’s

En general tenemos que en L.C.:

• Los ceros deben de moverse de tal forma que los polos que no sean dominantes, se acerquen demasiado a los ceros mediante el incremento de la ganancia y así prácticamente se anulen.

• Procurar también que mediante la ganancia y la ubicación de los ceros, los polos dominantes se encuentren en regiones deseadas.