lugar geométrico de las raices control 1

Universidad Nacional Mayor de San Marcos

(Universidad del Perú, Decana de América)

Sistemas de Control I

“Lugar Geométricos de las Raices”

Nombre: Pariona Curi, Marvin

10190235

Profesor: Ing. Jo

Horario: Lunes – Martes 2:00-4:00 p.m.

2014

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS E.A.P Ingeniería Eléctrica

LUGAR GEOMÉTRICO DE LAS RAICESINTRODUCCION:

La estabilidad relativa y la respuesta transitoria de un sistema de control en lazo cerrado están directamente relacionadas con la localización de los polos de dicha función de transferencia (o las raíces de la función característica) en el plano complejo, por tal razón es necesario analizar el comportamiento de los polos del sistema en lazo cerrado a la variación de los parámetros, en otras palabras, es importante el análisis del Lugar geométrico de las raíces del sistema en lazo cerrado.

Cuando se trata de sistemas de control es sumamente importante conocer la ubicación de las raíces de la ecuación característica del lazo cerrado, lo cual puede conocerse utilizando un método sistemático y sencillo que muestra el movimiento de dichas raíces cuando se modifica un parámetro de la ecuación. Dicho método permite elaborar lo que se conoce como el lugar geométrico de las raíces (LGR), que no es otra cosa que las soluciones de la ecuación característica a lazo cerrado cuando se varía un parámetro.

DEFINICIÓN DEL LUGAR GEOMÉTRICO DE LAS RAÍCES:

La técnica del lugar Geométrico de las Raíces (LGR) es un método gráfico para dibujar la posición de los polos del sistema en el plano complejo a medida que varía un parámetro, la información que proporciona este método es utilizada para el análisis de la estabilidad y funcionamiento del sistema.

Sea el siguiente sistema de control:

La función de transferencia de lazo abierto y de lazo cerrado son:

G (S )= KS (S+4)

C(S)R(S)

= KS2+4 S+K

La ecuación característica de lazo cerrado:

s2+4 S+K=0

SISTEMA DE CONTROL I Profesor: Carlos Jo Miranda

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Las raíces de la ecuación característica o polos de lazo cerrado son:

S1 , S2=−2±√4−K

Cuya solución es:

De la gráfica:

El sistema es estable si k>0, dado que en esta condición ambos polos están en el lado izquierdo del plano S.

Respuesta Transitoria:

1. Sobreamortiguado (ζ >1) Polos reales y diferentes (0 <K<4)

2. Críticamente amortiguado (ζ =1) Polos reales e iguales. (K=4)

3. Subamortiguado (0<ζ<1 ) Polos complejos conjugados (K>4)

4. Sin amortiguamiento (ζ =0) Polos imaginariosNo hay valor de K que haga que el sistema tenga este tipo de respuesta.


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GRAFICA DEL LUGAR GEOMÉTRICO DE LAS RAÍCES

Considere el siguiente sistema de control, la función de transferencia de lazo cerrado es:

1+G (s )H ( s)=0G ( s )H (s )=−1

El término G(S)H(S) es un cociente de polinomios en S.

Como G(s)H(s) es un cociente de polinomios en s.

Como G(s)H(s) es una cantidad compleja se puede representar en , magnitud y ángulo.

Condición de ángulo:

∠G (s )H ( s)=±180 ° (2K+1 )(K=0,1,2 ,….)

Condición de magnitud:

│G(s)H(s)│=1

Los valores de S que cumplen tanto las condiciones de ángulo como las de magnitud son las raíces de la ecuación características, o polos en lazo cerrado. El lugar geométrico de las raíces es una gráfica de los puntos del plano complejo que sólo satisfacen la condición de ángulo. Las raíces de la ecuación característica (los polos en lazo cerrado) que corresponden a un valor específico de la ganancia se determinan a partir de la condición de magnitud.


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Magnitud y Ángulo en el plano s.

Por ejemplo Si G(s)H(s) es:

G (s )H ( s )=K ( s+Z1 )

( s+ p1 ) ( s+ p2 ) ( s+ p3 ) ( s+ p4 )

En donde −p2 y−p3 son polos complejos conjugados, el ángulo de G(s)H(s) es:

∠G (s )H ( s)=∠ ( s+Z1 )−∠ ( s+ p1 )−∠ ( s+ p2 )−∠ (s+ p3 )−∠ (s+ p4)

∠G (s )H ( s)=∅ 1−θ1−θ2−θ3−θ4

La magnitud de G (s )H ( s) para este sistema es:

│G ( s )H (s )│=K │s+Z1│

│s+ p1││s+ p2││s+ p3││s+p4│

│G ( s )H (s )│=K B1

A1 A2 A3 A4


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Reglas generales para construir los lugares geométricos de las raíces.

a) Inicio y final de las trayectorias:Las trayectorias de lugar geométrico de las raíces empiezan en los polos en lazo abierto G (s )H ( s ) con K=0 y terminan en los ceros de G (s )H ( s ) o en el infinito (ceros finitos o ceros infinitos) con K=∞.

b) Trayectorias sobre el eje real:Cada parte del lugar geométrico de las raíces sobre el eje real se extiende sobre un rango de un polo o cero a otro polo o cero. Existen trayectorias sobre el eje real si la cantidad total de polos y ceros reales de G (s )H ( s ) a la derecha de un punto de prueba es impar.

c) Ubicación de los ceros infinitos:Cuando el lugar geométrico de las raíces tiende a infinito (s→ ∞) lo hace en forma asintótica (en línea recta).

Numero de Asíntotas (#As):

¿ As=np−nZ

Donde: np= Número de polos de G (s )H ( s ) nZ =Número de ceros finitos de G (s )H ( s)

Centroide de las Asíntotas (σ ¿¿0)¿σ0=¿

∑ Pi−∑ Z in p−nZ

¿

Donde: ∑ Pi=¿¿ Suma de valores de los polos ∑ Z i =Suma de valores de los ceros.

Ángulo de las Asíntotas (∠ AS)

∠ AS=±180 ° (2K+1 )

np−nZ(K=0,1,2 ,…. )


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d) Puntos de quiebre o de ruptura(Sq): Cuando existen trayectorias entre dos polos o dos ceros reales, existe

puntos de ruptura en el cual el lugar de las raíces deja el eje real.Procedimientos para determinar los puntos de quiebre:

I. De la ecuación característica, despejar K.II. Derivar una vez con respecto a S e igualar a cero la ecuación resultante.

III. Obtener las raíces de la ecuación obtenidas en el inciso (II), seleccionar el o los puntos de quiebre del sistema.

SiG (s )H ( s)= K A (s)B(s)

La ecuación característica seria 1+G (s )H ( s)=1+ K A (s)B(s)

=B ( s )+KA ( s )=0

Despejando K: K=−B(s)A (s)

Los puntos de ruptura se determinan resolviendo la siguiente ecuación.dKdS

=0

e) Ganancia de quiebre (Kq):Es el valor de K en el punto de quiebre. Se obtiene utilizando la condición de magnitud en el punto Sq.

f) Ganancia Crítica (Kc):Es el valor de K que hace que el sistema se encuentre en el límite de estabilidad. Se obtiene aplicando el criterio de Routh-Hurwitz en la ecuación característica, se establece el rango de valores de K para que el sistema sea estable. Los límites de ese rango definirán los Kc.

g) Frecuencia Crítica (Wc):El valor de las raíces (polos) cuando se cruza el eje imaginario; esto es cuando K=K c, se obtiene sustituyendo Kc en el polinomio auxiliar de la tabla de Routh.

h) Pertenencia de un punto a la trayectoria del LGR:Para que un punto s pertenezca a la trayectoria del LGR debe cumplir la condición de ángulo:


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∠G (s )H ( s)=±180 ° (2K+1 )(K=0,1,2 ,….)

i) Calculo de K para cualquier punto s del LGR:Si un punto s pertenece al LGR se puede obtener la ganancia K que permite tener ese punto.

j) Calculo del ángulo de salida (o ángulo de llegada) de una trayectoria a partir de un polo complejo (un cero complejo):Para trazar los lugares geométricos de las raíces con una precisión razonable, debemos encontrar las direcciones de los lugares geométricos de las raíces cercanas a los polos y ceros complejos. Si se selecciona un punto de prueba y se mueve en la cercanía precisa del polo complejo (o del cero complejo), se considera que no cambia la suma de las contribuciones angulares de todos los otros polos y ceros.

Ángulo de salida desde un polo complejo=180°-(Suma de los ángulos de vectores hacia el polo complejo en cuestión desde otro polos).+ (Suma de los ángulos de vectores hacia el polo complejo en cuestión desde los ceros).

Ángulo de llegada a un cero complejo=180°


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-(Suma de los ángulos de vectores hacia el cero complejo en cuestión desde los otros ceros.)+ (Suma de los ángulos de vectores hacia el cero complejo en cuestión desde los polos.)

EJEMPLO N°1:Considere el sistema de la figura:

Trace la gráfica del lugar geométrico de las raíces y determine el valor de K tal que el factor de amortiguamiento relativo ζ de los polos dominantes complejos conjugados en lazo cerrado sea 0.5.

Para el sistema determinado, la condición de ángulo se convierte en:

∠G (s )H ( s)=∠ Ks (s+1 ) (s+2 )

=−∠ (s )−∠ ( s+1 )−∠ (s+2 )=±180° (2K+1 )

(Para K=0,1,…)

La condición de magnitud es:

│G ( s) H (s )│=│ Ks ( s+1 ) (s+2 )

│=1K=│S ││S+1││S+2│

1.- Inicio y final de las trayectorias: Las trayectorias del L.G.R empiezan en los polos de lazo abierto (0,-1 y -2) con K=0, y terminan en el infinito con K=∞


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2.- Trayectorias sobre el eje real: Las trayectorias del L.G.R. sobre el eje real existen entre los polos (0 y -1) y de (-2 a -∞).

3.-Ubicación de los ceros infinitos: La cantidad de trayectorias del L.G.R. que tienden a infinito son 3, ya que no existen ceros finitos.

¿ As=np−nZ=3−0=3

σ0=¿


=( 0−1−2)−(0 )

3=−1¿

∠ AS=±180 ° (2K+1 )

np−nZ=±180° (2K+1)

3=±60 ° (2K+1 )=±60° ,±180 °

4.- Puntos de quiebre o de ruptura (Sq): Como existe lugar de las raíces entre dos polos (0 y -1), entonces existe un punto de quiebre.

De la ecuación característica despejamos K:

1+ Ks (s+1)(s+2)

=0

K=−(s3+3 s2+2 s)

Derivando K respecto a S e igualando a cero tenemos:

dKds

=−(3 s2+6 s+2 )=0

3 s2+6 s+2=0

Resolviendo tenemos: s=−0.422 s=−1.577

Como el punto de ruptura debe estar entre (0 y -1) entonces el punto sería:

sq=−0.422

5.- Ganancia de quiebre (Kq): Utilizando el punto de quiebre sq calculamos la ganancia de quiebre con la condición de magnitud.

K=│s (s+1 ) (s+2 )│sq=(0.422 ) (0.578 ) (1.578 )=0.385

6.-Ganancia Crítica (Kc): Se obtiene aplicando el criterio de Routh-Hurwitz en la ecuación característica:


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La ecuación característica es s3+3 s2+2s+K=0

La tabla de Routh es:

La ganancia crítica se obtiene de:

6−K c

3=0K c=6

7.- El punto crítico se obtiene del polinomio auxiliar:3 sc

2+K c=03 sc2+6=0 sc=±1.414 j

Para determinar la ganancia K que permite tener una respuesta con relación de amortiguamiento ζ =0. 5.Primero se determina el punto s, que este sobre el L.G.R y que este sobre la recta de relación de amortiguamiento ζ = 0.5

Se determina la ecuación de la recta de ζ =0. 5

β=cos−1 ζ=cos−1 (0.5 )=60°

y=x tan (120° )=−1.732 x


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con esta ecuación de la recta se propone un valor en X y se determina el valor en Y, el punto debe de cumplir la condición de ángulo para que este sobre el L.G.R:

El punto que cumple con las dos condiciones es s=-0.333+j0.577

Aplicando la condición de magnitud:

K=│s ( s+1 ) (s+2 )│s¿−0.333+ j0.577=(0.666 ) (0.882 ) (1.764 )=1.036

La ganancia que me permite tener una respuesta con una relación de amortiguamiento

ζ = 0.5 es K=1.036

EJEMPLO N°2:Considere el sistema de la figura


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Trace la gráfica del lugar geométrico de las raíces y determine el valor de K tal que el factor de amortiguamiento relativo ζ de los polos dominantes complejos conjugados en lazo cerrado sea 0.6.

Para el sistema determinado, la condición de ángulo se convierte en:

∠G (s )H ( s)=∠ K (s+5)s (s+1 ) (s+2 )

=∠ (s+5 )−∠ ( s)−∠ (s+1 )−∠ ( s+2 )=±180 °


│G ( s )H (s )│=│ K (s+5)s ( s+1 ) (s+2 )

│=1K=│S││S+1││S+2││s+5│

1.-Inicio y final de las trayectorias: Las trayectorias del L.G.R. empiezan en los polos de lazo abierto (0,-1 y -2) con K=0 y terminan, una en (-5) y dos en el infinito con K= ∞.

2.-Trayectoria sobre el eje real: Las trayectorias del L.G.R sobre el eje real existen entre los polos (0 y -1) y de (-2 a -5).

3.- Ubicación de los ceros infinitos: La cantidad de trayectorias del L.G.R. que tienden a infinito son 2, ya que solo existe un cero finito.

¿ As=np−nZ=3−1=2

σ0=¿


=( 0−1−2)−(−5 )

2=1¿

∠ AS=±180 ° (2K+1 )

np−nZ=±180°(2K+1)

2=±90°

4.-Puntos de quiebre o de ruptura (Sq): Como existe lugar de las raíces entre dos polos (0 y -1) , entonces existe un punto de quiebre.


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De la ecuación característica despejamos K:

K=−s ( s+1 ) (s+2 )( s+5 )

Derivando K respecto a s e igualando a cero tenemos:

dKds

=2(s3+9 s2+15 s+5)

¿¿

s3+9 s2+15 s+5=0

Resolviendo: s=−0.447 s=−1.609 s=−6.943

Como el punto de ruptura debe estar entre (0 y -1) entonces el punto sería:

Sq= -0.447

5.-Ganancia de quiebre (Kq): Utilizando el punto de quiebre Sq calculamos la ganancia de quiebre con la condición de magnitud.

K=│ s ( s+1 ) ( s+2 )(s+5 )

│sq

=│s ││s+1││s+2││s+5│

│s=−0.477

=(0.447 ) (0.553 ) (1.553 )

4.553=0.084

6.-Ganancia Crítica (Kc): Se obtiene aplicando el criterio de Routh-Hurwitz en la ecuación característica

La ecuación característica es s3+3 s2+(2+K ) s+5K=0

La tabla de Routh es:

La ganancia crítica se obtiene de:

6−2K c3

=0K c=3

7.- El punto crítico se obtiene del polinomio auxiliar:

3 sc2+5K c=03 sc

2+15=0 sc=±2.236 j


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Para determinar la ganancia K que permite tener una respuesta con relación de amortiguamiento ζ = 0.6

Primero se determina el punto s, que este sobre el L.G.R y que este sobre la recta de relación de amortiguamiento ζ = 0.6.

Se determinan los puntos que estén sobre la recta de ζ = 0.6

β=cos−1 ζ=cos−1 (0.6 )=53.13°

y=x tan (126.87 ° )=−1.333 x

Con esta ecuación de la recta se propone un valor en X y se determina el valor en Y, el punto debe cumplir la condición de ángulo para que este sobre el L.G.R.

El punto que cumple con las dos condiciones es s=-0.398+0.532j

Aplicando la condición de magnitud:

K=│s││s+1││s+2││s+5│

│S=0.398+0.532 j

=(0.664)(0.803)(1.688)(4.632)

=0.194


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La ganancia que me permite tener una respuesta con una relación de amortiguamiento de ζ = 0.6

Es: K=0.194

EJEMPLO N°3:

Considerando el sistema de la figura:

Para el sistema determinado, la condición de ángulo es:

∠G (s )H ( s)=∠ Ks (s+2+2 j ) (s+2−2 j )

=−∠ ( s )−∠ (s+2+2 j )−∠ ( s+2−2 j )=±180°


│G ( s )H (s )│=│ Ks ( s+2+2 j ) (s+2−2 j )

│=1K=│s││ (s+2+2 j )││ (s+2−2 j )│


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1.- Inicio y final de las trayectorias: Las trayectorias del L.G.R empiezan en los polos de lazo abierto (0,-2-2j y -2+2j) con K=0, y terminan, en el infinito con K= ∞.

2.- Trayectoria sobre el eje real: Las trayectorias del L.G.R sobre el eje real existen entre 0 y -∞.

3.-Ubicación de los ceros infinitos: La cantidad de trayectorias del L.G.R que tienden a infinito son 3, ya que no existen ceros finitos.

¿ As=np−nZ=3−0=3

σ0=¿


=( 0−2+2 j−2−2 j )

3=−1.333 ¿

∠ AS=±180 ° (2K+1 )

np−nZ=±180° (2K+1)

3=±60 ° (2K+1 )=±60° ,±180 °

4.-Puntos de quiebre o de ruptura (Sq): No existe punto de quiebre.

5.-Ganancia de quiebre (Kq): No existe ganancia de quiebre.

6.-Ganancia Crítica (Kc): Se obtiene aplicando el criterio de Ruth-Hurwitz en la ecuación característica:La ecuación característica es s3+4 s2+8 s+K=0La tabla de Routh es:

7.-El punto crítico se obtiene del polinomio auxiliar:

4 sc2+K c=04 sc

2+32=0 sc=±2.828 j

10.-Calculo del ángulo de salida (o ángulo de llegada) : De una trayectoria a partir de un polo complejo (un cero complejo).

Se toma como polo complejo s=-2+2j


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Ángulo de salida= 180°-(∠ ( s )+∠ ( s+2+2 j ) )=180 °−(135 °+90 ° )=−45 °

Conclusiones:

Debe observarse que, de este modo, se pasa del estudio del sistema en lazo cerrado al estudio de característica del sistema en lazo abierto, lo cual debe permitir mayor facilidad en el cálculo.

Se define el lugar geométrico de las raíces como el conjunto de puntos del plano S en los que se verifica la condición de ángulo. En conclusión, un punto que pertenece al lugar geométrico de las raíces es un posible polo del sistema en lazo cerrado; para ello únicamente es necesario validar la condición de módulo, y ésta se cumplirá para un valor determinado de la ganancia del sistema en lazo abierto. Sin embargo, un punto del plano S que no pertenezca al L.G.R no puede ser polo en lazo cerrado porque no verifica la condición de ángulo, aunque varíe la ganancia del sistema en lazo abierto.

Bibliografía:

Notas de Sistemas de Control I M.C. Jaime Cid Monjaraz INGENIERÍA DE CONTROL M.C. JOSÉ MANUEL ROCHA NUÑEZ LUGAR GEOMÉTRICO DE LAS RAÍCES M.C. ELIZABETH GPE. LARA HDZ


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