proyecto control final

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TERCER INFORME DEL PROYECTO DE SISTEMAS DE CONTROL Presentado por: FABER ISAZA SANCHEZ Cod: 2063551 NAIROBI SOLORZANO SANCHEZ Cod: 2063616 JUAN CENTENO TORRES Cod: 2063512 Presentado a: PHD. DANIEL SIERRA UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES BUCARAMANGA, SANTANDER 2010

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Page 1: Proyecto Control Final

TERCER INFORME DEL PROYECTO DE SISTEMAS DE CONTROL

Presentado por:

FABER ISAZA SANCHEZ

Cod: 2063551

NAIROBI SOLORZANO SANCHEZ

Cod: 2063616

JUAN CENTENO TORRES

Cod: 2063512

Presentado a:

PHD. DANIEL SIERRA

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES

BUCARAMANGA, SANTANDER

2010

Page 2: Proyecto Control Final

MARCO TEORICO

RESPUESTA EN EL TIEMPO

El tiempo es la variable independiente empleada en la mayoría de sistemas de control, por

lo que es de interés evaluar la respuesta de salida y del estado con respecto al tiempo,

denominada respuesta en el tiempo.

La respuesta en el tiempo de un sistema de control puede descomponerse normalmente

en dos partes: la respuesta transitoria y la respuesta estacionaria.

A grandes rasgos, la respuesta transitoria determina el comportamiento del sistema

durante la transición de algún estado inicial hasta el estado final. Está determinada por la

característica dinámica del sistema.

Por otro lado, la respuesta transitoria, en el caso de sistemas estables es la respuesta que

permanece cuando el tiempo crece infinitamente depende fundamentalmente de la señal

de entrada al sistema.

En el problema de análisis, una señal de prueba se aplica como entrada al sistema y el

desempeño del sistema se evalúa al estudiar la respuesta en el tiempo del sistema.

Las señales de prueba típicas son:

Entrada función impulso, entrada función escalón, entrada función rampa, entrada

función parabólica.

La respuesta en el tiempo, tiene ciertas especificaciones que se muestran a continuación:

• Tiempo de retardo: tiempo que tarda la respuesta en alcanzar por primera vez la mitad

del valor final.

• Tiempo de crecimiento: tiempo requerido para que la respuesta crezca del 10% al 90%

(sobreamortiguado), del 5% al 95%, o del 0 al 100% (subamortiguado) de su valor final.

• Tiempo de pico: tiempo requerido para que la respuesta alcance el primer pico del

sobreimpulso.

• Máximo sobreimpulso: es el valor pico máximo de la curva de respuesta medido desde

la unidad. Si el valor final de la respuesta es diferente de 1, se utiliza el máximo

sobreimpulso porcentual, que está dado por:

Page 3: Proyecto Control Final

• Tiempo de establecimiento: tiempo requerido por la curva de respuesta para alcanzar

y mantenerse dentro de determinado rango alrededor del valor final, especificado en

porcentaje absoluto del valor final (se usa generalmente el 5% ó el 2%).

Figura 1. Parámetros de desempeño en el tiempo.

RESPUESTA EN FRECUENCIA

El análisis de respuesta en frecuencia es la técnica don una señal de prueba senoidal es

usada para medir puntos sobre la respuesta de frecuencia de una función de

transferencia. Una señal senoidal es aplicada para un sistema con función de

transferencia; después de que la oscilación momentánea desarrollada para condiciones

iniciales ha decaído, la salida viene a ser una onda senoidal pero con una magnitud

diferente y fase relativa. La magnitud y la fase da salida están, de hecho, relacionadas con

la función de transferencia a la frecuencia de la salida sinusoidal. En resumen, La

respuesta en frecuencia es una representación de la respuesta del sistema a entradas

sinusoidales a frecuencia variable. La salida de un sistema lineal a una entrada sinusoidal

es una sinusoide de la misma frecuencia pero con distinta magnitud y fase. La respuesta

en frecuencia se define como las diferencias de magnitud y fase entre las sinusoides de

entrada y salida.

• Margen de ganancia: se define como el cambio en la ganancia a lazo abierto necesario

para causar inestabilidad en el sistema. Los sistemas con márgenes de ganancia

grandes pueden tolerar mayores cambios en los parámetros del sistema antes de

hacerse inestable a lazo cerrado. El margen de ganancia es la diferencia entre la curva

Page 4: Proyecto Control Final

de magnitud y 0dB en el punto correspondiente a la frecuencia que nos da una fase de

-180 grados (la frecuencia de cruce de fase, ωcf).

• Margen de fase: se define como el cambio a lazo abierto en la fase necesario para

causar inestabilidad en el sistema a lazo cerrado. El margen de fase mide también la

tolerancia del sistema a retardos. El margen de fase es la diferencia de fase entre curva

de la fase y -180 grados en el punto correspondiente a la frecuencia que nos da una

ganancia de 0dB (la frecuencia de cruce de ganancia, ωcg).

ERROR DE ESTADO ESTACIONARIO

El error de estado estacionario se define como la diferencia entre la entrada y la salida de

un sistema en el límite cuando el tiempo tiende a infinito, es decir, cuando la respuesta ha

alcanzado el estado estacionario. El error de estado estacionario dependerá del tipo de

entrada (escalón, rampa, etc.) y de (tipo del sistema) que el sistema sea del tipo 0, I, II… El

análisis del error de estado estacionario sólo es útil para sistemas estables.

COMPENSADORES

Algunos compensadores típicos son:

• Compensador en Adelanto: El compensador de adelanto persigue el aumento del

margen de fase mediante la superposición de la curva de fase del diagrama de bode

sobre el diagrama de bode del sistema a compensar. El diagrama de bode del

compensador se sitúa de manera que el valor máximo de adelanto de fase se

encuentre donde se espera tener la frecuencia de cruce de ganancia. Conviene tener

en cuenta que el compensador de adelanto de fase siempre sumará ganancias

positivas sobre el sistema original, llevando hacia la derecha la frecuencia de cruce de

ganancia. Esto originará que el margen de fase aumente menos de lo esperado.

• Compensador en Atraso: Para un sistema que tiene buenas características de

respuesta transitoria pero no satisface los requerimientos en respuesta permanente

se utiliza la compensación en atraso. Esencialmente, un compensador en atraso

aumenta la ganancia de lazo cerrado sin modificar apreciablemente el lugar

geométrico de las raíces. Para ello, se colocan el cero y el polo de la red de atraso

cerca del origen. El compensador de retardo persigue el aumento del margen de fase

disminuyendo la ganancia del sistema compensado para frecuencias iguales o

Page 5: Proyecto Control Final

superiores a las frecuencias características del sistema, con lo que supuestamente

deberá trasladar la frecuencia de cruce de ganancia hacia valores menores. Como el

margen de fase se mide a la frecuencia del cruce de ganancia, y esta se conseguirá

reducir, es previsible que dicho margen aumente.

• Compensador adelanto–atraso: Este compensador se añadirá cuando se necesite

modificar las condiciones de la respuesta transitoria y permanente. Su diseño puede

ser realizado a partir del diseño separado de la red de atraso y la red de adelanto, es

decir, se diseña inicialmente la red de adelanto tal que los polos dominantes deseados,

pertenezcan al Lugar Geométrico de las Raíces y luego a través del atraso se logra la

ganancia deseada en lazo directo que satisfaga el error. La compensación de adelanto

suele usarse para mejorar los márgenes de estabilidad. La compensación de adelanto

da una frecuencia de cruce de ganancia más alta que la que puede obtenerse con la

compensación de retardo. La frecuencia de cruce de ganancia más alta significa un

mayor ancho de banda. Un ancho de banda grande implica una reducción en el tiempo

de asentamiento. Si se desea un ancho de banda grande o una respuesta rápida, debe

emplearse la compensación de adelanto.

• Proporcional (P): Ajustar el valor de la ganancia en un controlador proporcional será

como moverse en el LGR hasta lograr la respuesta deseada, tanto transitoria como

permanente. Con ello se logra modificar tanto la respuesta transitoria como la

respuesta permanente, pero en forma limitada.

ANCHO DE BANDA

El ancho de banda es la longitud, medida en Hz, del rango de frecuencias en el que se

concentra la mayor parte de la potencia de la señal. Puede ser calculado a partir de una

señal temporal mediante el análisis de Fourier. También son llamadas frecuencias

efectivas las pertenecientes a este rango.

Así, el ancho de banda de un filtro es la diferencia entre las frecuencias en las que su

atenuación al pasar a través de filtro se mantiene igual o inferior a 3 dB comparada con la

frecuencia central de pico.

Page 6: Proyecto Control Final

RESUMEN

Nuestra planta está encargada de regular la velocidad de la máquina y la potencia

eléctrica suministrada por el generador cuando la máquina se encuentra con carga. Se ha

analizado nuestro sistema y se ha linealizado de tal forma que obtuvimos la función de

transferencia del sistema, a la cual se le han realizado diferentes métodos de análisis para

determinar la posible estabilidad del sistema para cualquier condición de trabajo.

Con la ayuda de la herramienta Simulink se simulo en el software MATLAB la respuesta del

sistema original ante una entrada escalón obteniendo una salida exponencial que tiende

hacia el infinito, dejando ver la completa inestabilidad de este sistema, para ello tomando

como referencia los conocimientos adquiridos en el Aula de clase, implementamos y

estudiamos las diferentes fuentes de esta inestabilidad. En esta primera parte se basó en

la caracterización y familiarización de nuestra planta donde pudimos saber cuáles eran la

ubicación de polos y ceros y cuál era el error de estado estacionario ante una entrada

escalón.

Como era de esperarlo las características de desempeño en el tiempo tenía demasiados

errores ya que el sistema era inestable y unos parámetros que no se podían hallar;

nuestra planta como tal tenía muchas falencias y necesitaba ser estudiado con mucha

profundidad y aplicar métodos más significativos para tener un óptimo desempeño,

concluimos que lo mejor es buscar métodos de sistemas de control para estabilizar el

sistema.

A medida que avanzamos en nuestro curso hemos desarrollado diferentes métodos con

los cuales hemos profundizado más en nuestro proyecto, una de ellas es el criterio de

estabilidad de Routh Hurtwitz, con esta herramienta obtuvimos un rango de valores de

ganancia (K) para los cuales el sistema de lazo cerrado nos garantizaba estabilidad, ya

teniendo estos valores debíamos encontrar un solo valor de ganancia que me diera un

mejor desempeño en nuestro sistema y por eso utilizamos la respuesta en frecuencia, allí

evaluamos valores de K para los cuales me cumplan un margen de fase entre 30°- 60° y

un margen de ganancia mayor a 6 dB, para esto utilizamos MATLAB, aparte de esto

tuvimos en cuenta el error de estacionario y nos aseguramos que fuera muy pequeño.

Para la selección del valor de ganancia en nuestro caso como la gráfica de fase no cruza

con el eje de -180° no tuvimos en cuenta la condición de ángulo ya que la ganancia no

afecta la fase. Ya seleccionado el valor de ganancia evaluamos la respuesta al escalón en

lazo cerrado y evaluamos los indicadores de desempeño en el tiempo, obteniendo un

tiempo de crecimiento muy rápido y sin ningún sobrepaso haciendo que el sistema se

tornara mucho más eficiente. Llegamos a la conclusión que el sistema en lazo cerrado

mejoro muchísimo con este ajuste de ganancia y con una buena respuesta en el tiempo en

comparación con el sistema original que estaba inestable.

Page 7: Proyecto Control Final

CARACTERÍSTICAS DE DESEMPEÑO DEL SISTEMA SIN COMPENSAR

Para obtener un desempeño satisfactorio, el margen de fase debe estar entre 30° y 60° y

el margen de ganancia debe ser mayor que 6 dB.

Entre los valores de K que me cumple con la condición de magnitud y a la vez me da el

menor error de estado estacionario es K=0.2.

Figura 2. Diagrama de Bode del sistema de lazo abierto para K=0.2.

Al no haber cruce de ganancia por el eje de 0 dB, el margen de fase es infinito, es decir,

para cualquier adelanto o atraso en la fase, no me afectara la estabilidad del sistema,

mientras que el cruce de fase por -180° se encuentra en el infinito, el margen de ganancia

será el valor alcanzado en el infinito, es decir, 8 dB. Resumiendo:

�� = ∞ �� = � ��

Al verificar la respuesta de escalón con MATLAB con este valor de K encontramos estos

valores: �� � �� ��������� = �. ���� [���] �� � �� ����� ������� = �. !"# [���]

Como podemos apreciar en la grafica de Respuesta al Escalón Sistema Lazo Cerrado

obtenemos una curva sin sobrepasos y con una rapido tiempo de establecimiento, con

otros valores de K el sistema se tardaba para responder y con valores negativos se tornaba

mucho mas lento por eso escogimos este valor y nos otorga una buena respuesta en

frecuencia.

Page 8: Proyecto Control Final

Figura 3. Respuesta al escalón unitario para K=0.2.

Se ha graficado la función de transferencia de lazo cerrado, pero como se observa en la

Figura 3, la forma que obtuvimos fue la de un filtro pasa altas y como no tenemos cruce

de ganancia por 0 dB, no podemos leer una frecuencia de corte ni utilizar el criterio de 3

dB. Como se puede observar en la grafica de magnitud, no se presenta pico de resonancia,

es decir, el valor aumenta de forma logarítmica hasta estabilizarse sin tener un sobrepaso

antes de alcanzar su valor final.

Figura 4. Diagrama de Bode del sistema de lazo abierto para K=0.2.

Page 9: Proyecto Control Final

DISEÑO DEL COMPENSADOR

El compensador deberá otorgarle al sistema las siguientes características o parámetros de

desempeño:

• Error estacionario ante entrada escalón de menos del 5%.

• Ancho de banda 50% superior al ancho de banda del sistema de lazo cerrado

sin compensar.

Para mejorar el error de estado estacionario es útil un compensador en atraso.

Comenzaremos a hallar la constante necesaria para cumplir con el error estacionario

solicitado:

��� = ! ! + %&

%& = !��� − !

%&( = !�. �) − ! = !*

%& = +,-�→� /0�1 = +,-�→� 23!�" + 4!�# + �!� + 5!3#�" + 4#�# + �#� + 5#6 = 5!5#

%& = �. �77"��. �!�!7 = �. �*�)7

%&( = +,-�→� %/0�1 = +,-�→� % 23!�" + 4!�# + �!� + 5!3#�" + 4#�# + �#� + 5#6 = %5!5#

%&( = % 8�. �77"��. �!�!79 = !*

% = !�. �!�#"

Como anteriormente no se pudo leer en la grafica de bode cual era el ancho de banda,

ya que nuestro sistema se comportaba como un pasa altas, pero podemos decir que el

ancho de banda es inversamente proporcional al tiempo de crecimiento, es decir:

4: ∝ !�

4:�<�=� = !. )4:

Page 10: Proyecto Control Final

� �<�=� = �. ���� � �<�=� = �. �)#7 [���] Utilizando la fórmula del tiempo de crecimiento de un sistema de segundo orden,

obtenemos una aproximación de la frecuencia de corte necesaria para obtener estos

resultados.

� �<�=� = > − ?@�A! − B# ∴ ? = ���D! EA! − B#

B F

Tomando como B = �. )

� �<�=� = > − >"@�√! − �. )# =#>"�. ����@� = �. �)#7

@� = 7�. !)#� [���/���]

Si seleccionamos el cero ! = �. �! , y @� = 7�. !)#� [���/���], requeriremos una

atenuación de 0.4 dB

−#� +IJ0?1 = −�. 7

? = !��.7#� = !. �7�!

Entonces nuestro polo nos quedaría en: !? = �. �*))� Por último obtenemos el Kc

%� = %? = !�. �!!. �7�! = *. ))*�7

Y nos quedaría el compensador de la siguiente forma:

/� = %�0� + ! K 10� + ! ?K 1

/� = *. ))*�70� + �. �!10� + �. �*))�1

Page 11: Proyecto Control Final

Se simulo el sistema compensado para determinar el desempeño del compensador y los

resultados no fueron los esperados ya que no nos otorgo los parámetros deseados.

Procedemos a realizar un compensador tipo Proporcional – Integral (PI) ya que este tipo

de compensador es análogo al compensador en atraso y es ideal para atenuar altas

frecuencias y a su vez mejora el error estacionario.

/�0�1 = % L! + !�M = % 0� + !1�

Según el método de Ziegler – Nichols para el compensador tipo PI:

= N�. " O % = �. *N

Donde L y T son parámetros que se pueden observar en la siguiente grafica:

Figura 5. Parámetros del método de Ziegler – Nichols.

De la respuesta en el tiempo ante una entrada escalón en lazo abierto de nuestro sistema

podemos leer los siguientes valores:

N = �. ���* [���] O = �. !##! Entonces:

= �. #�*�� O % = !. #�7)

Page 12: Proyecto Control Final

Por tanto nuestro controlador PI nos quedaría de la siguiente forma:

/�0�1 = !. #�7)0�. #�*��� $ !1�. #�*���

/�0�1 � 7. "�)70� $ ". 7)#"1�

Al simular este compensador, el sistema respondía de una forma aproximada a las

especificaciones pero nos encontramos con que el sistema se volvía demasiado lento. Con

la ayuda de la aplicación SISOTOOL de MATLAB, movimos la posición del cero hasta

obtener estabilidad del sistema de lazo cerrado, disminuir el tiempo de respuesta, es

decir, hacerlo más rápido y lograr el tiempo de crecimiento con el que empezamos el

diseño que aseguraba el aumento del ancho de banda, quedándonos como compensador

final el siguiente:

/�0�1 � !". �"�0�. ���� $ !1�

A continuación se mostraran las características obtenidas con este compensador.

RESPUESTA AL ESCALÓN DEL SISTEMA COMPENSADO

La respuesta al escalón del sistema compensado, nos muestra los siguientes parámetros

de desempeño:

Figura 6. Respuesta Al Escalón Sistema Lazo Cerrado Compensado

Respuesta ante Entrada Escalón

Tiempo [seg]

Am

pli

tud

Page 13: Proyecto Control Final

�� � �� ��������� � �. )�� ����� �� � �� ����� ������� � �. ��! �����

Estos parámetros de desempeño nos muestra un buen comportamiento de todo el

sistema con el compensador, y estamos asegurando el tiempo de crecimiento para

obtener el ancho de banda que se especificó en las opciones de diseño.

Hasta el momento hemos verificado que los parámetros de desempeño en el tiempo son

los esperados, a continuación hallaremos el error de estado estacionario del sistema

completo para ver que no sobrepasa al 5% de las especificaciones.

%& � +,-�→� /�0�1/0�1

%& � +,-�→� 2!". �"�0�. ���� $ !1� 6 23!�" $ 4!�# $ �!� $ 5!3#�" $ 4#�# $ �#� $ 5#6 ≅ ∞

��� � ! ! $ %& � !

! $ ∞ �R ��� ≅ �

El resultado respecto al error del estado estacionario es mejor de lo esperado debido al

polo que situamos en el origen.

SISTEMA COMPENSADO EN EL DOMINIO DE LA FRECUENCIA

Podemos evaluar en el sistema de lazo abierto y obtener el margen de fase y margen de

ganancia como se muestra a continuación

Figura 7. Diagrama de Bode Sistema Compensado Lazo Abierto

Diagrama de Bode Sistema Compensado Lazo Abierto

Frecuencia [rad/s]

Mag

nit

ud

[d

B]

Fase

[G

rad

os]

Page 14: Proyecto Control Final

ST = �). !° :�� � #, �� 8���� 9

S/ � *, #� ��4� :�W � ∞

El margen de fase antes de compensar el sistema tendía infinito, eso era bueno porque

podíamos variar la fase sin volver inestable el sistema pero luego de la compensación se

redujo a cambio de brindarnos los parámetros deseados, sin embargo el margen de fase

actual está en un buen rango. Aun después de compensar el sistema, el margen de

ganancia cumple con el criterio de los 6[dB].

FUNCION DE TRANSFERENCIA DE LAZO CERRADO En la Figura 8 se muestra el diagrama de bloques del sistema completo compensado y a

continuación se mira el ancho de banda por medio del diagrama de bode en lazo cerrado.

Figura 8. Diagrama de Bloques del Sistema Compensado.

Figura 9. Diagrama de Bode Sistema Compensado En lazo Cerrado.

r(t) e(t) y(t)

Diagrama de Bode Sistema Compensado Lazo Cerrado

Frecuencia [rad/s]

Mag

nit

ud

[d

B]

Fase

[G

rad

os]

Page 15: Proyecto Control Final

En la figura 9 se puede observar que esta vez sí podemos utilizar el criterio de -3dB ya que

la gráfica de magnitud posee la forma de un filtro pasabajas y comienza con un valor

estable, entonces nuestra frecuencia de corte será aquella a la que la magnitud allá

decaído 3dB de su valor estable.

Al observar la gráfica y aplicar este criterio podemos observar que el ancho de banda es

aproximadamente !� [���/�].

Page 16: Proyecto Control Final

OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES Con los conocimientos adquiridos en el curso de sistemas de control pudimos aplicar estas

herramientas para este proyecto y saber a grandes rasgos que era lo que pasaba con la

planta y que debíamos hacer para que funcionara correctamente a unas especificaciones

de diseño dadas. Al determinar que el sistema en primera instancia era inestable

procedimos a mirar con que valores de ganancia (K) era estable el sistema, este ajuste de

ganancia lo determinamos por medio del método de Routh Hurtwitz y elegimos un valor

de ganancia entre el rango dado por dicho método que nos ofreció mayor eficiencia.

Solo con el ajuste de ganancia no fue suficiente para decir que el sistema era bueno en

lazo cerrado ya que se comportaba como un pasa altas y al observar en la gráfica de bode

de lazo cerrado, la gráfica de magnitud comienza en un valor muy alejado de 0[dB].

También se logró mejorar significativamente el error de estada estacionario ante una

entrada tipo escalón, ya que con el solo ajuste de ganancia obtuvimos un error

aproximadamente del 80%, y después de compensar el sistema logramos un error de

estado estacionario que tiende a cero.

Sin duda alguna el software MATLAB es de gran utilidad al momento del análisis de

sistemas de control ya que tiene múltiples herramientas que son de gran ayuda debido a

que podemos interactuar y modificar la ubicación de polos, ceros y ganancias mientras

estamos simulando nuestra planta, todo gracias a su compleja y versátil interfaz gráfica.

En el diseño de este compensador tratamos de seguir paso a paso las instrucciones

descritos en clase y a su vez verificábamos la efectividad de los procedimientos ya sea en

el lugar geométrico de las raíces (Respuesta en el tiempo), diagrama de bode (Respuesta

en frecuencia) y como se comportaba el sistema frente a una entrada tipo escalón.

Page 17: Proyecto Control Final

BIBLIOGRAFIAS

• Ingeniería De Control Moderna, Katsohiko Ogata, Pearson (2003, 4ª edición)

• Sistemas de Control Automatico, Benjamin Kuo, Prentices Hall

• http://www.ib.cnea.gov.ar/~instyctl/Tutorial_Matlab_esp/lead.lag.html#lagfr

• http://www.ib.cnea.gov.ar/~instyctl/Tutorial_Matlab_esp/ess.html

• http://usuarios.multimania.es/automatica/temas/tema6/pags/compensadores/comp

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• http://prof.usb.ve/lamanna/cursos/Comp-Bode-1.pdf

• http://www.control-systems-

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• http://200.13.98.241/~javier/rootlocus.pdf