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1. Análisis de los Sistemas Discretos


1. Análisis de los Sistemas Discretos____________________________________ 1
  1.1. Introducción ________________________________________________________ 2
  1.2. Estabilidad __________________________________________________________ 2
    1.2.1. Estabilidad de Sistemas Lineales ________________________________________ 2
    1.2.2. Estabilidad de Sistemas con Entrada y Salida Acotadas(BIBO) __________________ 3
    1.2.3. Cómputo de la Estabilidad _____________________________________________ 4
  1.3. Controlabilidad, Alcanzabilidad y Observabilidad _______________________ 11
    1.3.1. Controlabilidad y Alcanzabilidad _______________________________________ 11
  1.4. Observabilidad _____________________________________________________ 14
  1.5. Descomposición de Kalman ___________________________________________ 16
  1.6. Pérdida de Alcanzabilidad y Observabilidad debido al muestreo ___________ 17
  1.7. Un Controlador Simple ______________________________________________ 18
    1.7.1. Estado Estacionario_________________________________________________ 18
  1.8. Simulación _________________________________________________________ 19
  1.9. Control de un Doble Integrador _______________________________________ 19




                                                                   Control Digital 5.doc 1
1.1. Introducción
         Los sistemas a estudiar son

 xk +1 = Φxk + Γuk
                                                                                              [1.1]
 yk = Cxk


A ( q) y k = B (q ) u k                                                                        [1.2]

A ( q ) = q na + a1q na −1 + L + ana
                                                                                               [1.3]
B ( q ) = b0q nb + b1q nb −1 + L + bnb

    1.2. Estabilidad
         Dada unas secuencia

xk +1 = f ( x k , k )                                                                          [1.4]

         sean dos secuencias xk y x 0k soluciones de [1.4]

         Se dice que la secuencia x 0k es estable si dado

 xk0 − x 0k0 < δ                                                                               [1.5]

         se cumple

 xk − x 0k < ε          ∀k ≥ k0                                                                [1.6]

                                   0
         Se dice que la secuencia x k es asintóticamente estable si se cumple

 xk − x 0k → 0 k → ∞                                                                           [1.7]

         1.2.1. Estabilidad de Sistemas Lineales
         Sea el sistema

x 0k +1 = Φ x 0k                                                                               [1.8]

         con

x 00 = a0                                                                                      [1.9]

         se cambia el valor inicial

                                                                           Control Digital 5.doc 2
x0 = a                                                                                            [1.10]

          resultando

 xk +1 = Φxk                                                                                       [1.11]

          La diferencia entre ambas soluciones es

 xk +1 = x k +1 − x 0k +1 = Φ xk                                                                   [1.12]

          con

 x0 = a − a 0                                                                                      [1.13]

          esto implica que si x 0 es estable, toda otra solución será también estable.
       Se deduce que la estabilidad es una característica del sistema y no de una solución
determinada.
          La solución de

 xk = Φ k x0                                                                                       [1.14]

       Si la matriz Φ se puede diagonalizar, la solución es una combinación lineal de los
autovalores.
       Si la matriz Φ no se puede diagonalizar, la solución es una combinación lineal del
producto de polinomios por los autovalores.
       Pero en ambos casos, para que la solución tienda a cero los autovalores deberán ser
menor que 1.
Teorema 1. Un sistemas discreto, lineal, invariante en el tiempo es asintóticamente
estable si todos los autovalores de Φ están dentro del círculo unidad.

          1.2.2. Estabilidad de Sistemas con Entrada y Salida Acotadas(BIBO)
          Un sistema cuya entrada es acotada, es estable si su salida también lo es.
          La estabilidad asintótica es más restrictiva.
Ejemplo 1.1. Oscilador Armónico

          cos (ω T ) sen (ω T )        1 − cos (ω T ) 
 xk +1 =                          xk +                 uk
         − sen (ω T ) cos (ω T )        sen (ω T )                                             [1.15]
  yk = [1 0] xk

          Los autovalores son 1.


                                                                                Control Digital 5.doc 3
Si la entrada es nula, el sistema es estable porque xk = x0

           Pero si la entrada es una onda cuadrada de frecuencia ω la salida es

                          20


                          15


                          10


                           5


                           0


                           -5


                          -10


                          -15


                          -20
                                0        5       10   15      20       25       30



           El sistema es estable pero no es estable en el sentido de entrada y salida acotada

           1.2.3. Cómputo de la Estabilidad
           -   Cómputo directo de los autovalores
           -   lugar de las raíces
           -   criterio de Nyquist
           -   método de Lyapunov

-      Cálculo directo:
           cálculo de las raíces de

    A ( q ) = qna + a1qna −1 + L + ana                                                             [1.16]

           no es adecuado para calcularlo manualmente en sistemas de alto orden

-      Criterio de Jury (Routh-Hurwitz)
           Se forma la siguiente tabla

a0                   a1                      L         an−1            an




                                                                                Control Digital 5.doc 4
an                     an−1             L               a1                    a0                       an
                                                                                                                  αn =
                                                                                                                         a0

                  a n−10                 a n−11           L               a n−1n −1

                  a n−1n −1              a n−1n− 2        L               a n−10                                             a n−1n
                                                                                                                  α n −1 =
                                                                                                                             a n −10

                  M

                  a 00
                              con

                  aik −1 = aik − α k ak −i
                                      k

                            k                                                                                                      [1.17]
                           ak
                  αk =      k
                           a0

                  Teorema 2. Si a0 > 0 , el sistema es estable si todos los a0 son positivos. Si ningún a0 , la
                                                                             k                           k

                               k
                  cantidad de a0 negativos es igual al número de raíces fuera del círculo unidad.

                  Ejemplo 1.2. Sistema

                      A ( q ) = q 2 + a1q + a2 = 0                                                                                 [1.18]

                                1                                                     a1                     a2

                                a2                                                    a1                     1                                a2
                                                                                                                                       α2 =
                                                                                                                                              1

        a1 = a 0 − α 2 a2 = 1 − a2 a2 = 1 − ( a2 )
         0
               2        2                             2
                                                              a1 = a 1 − α 2a12 = a1 − a2a1 = a1 (1 − a2 )
                                                               1     2




                         a1 (1 − a2 )                                          1 − ( a2 )                                    a1 a1 (1 − a2 )
                                                                                            2                                 1
                                                                                                                                                 a1
                                                                                                                    α1 =        =          2 =
                                                                                                                             a0 1 − ( a2 )
                                                                                                                              1
                                                                                                                                               1 + a2

 0    1      1    1
                                     (   2 
                                                  )
                                                a 
a0 = a0 − α1a0 = a0 (1 − α1 ) = 1 − (a2 )  1 − 1 
                                            1 + a2 


                              Todas las raíces están dentro del círculo unidad si:

                  a1 = 1 − ( a2 ) > 0
                                     2
                   0                                                                                                               [1.19]



                                                                                                      Control Digital 5.doc 5
(          )
               2     a 
a0 = 1 − ( a2 )  1 − 1  > 0
 0

                  1 + a2 
                                                                                               [1.20]


         esto implica

a2 < 1                                                                                         [1.21]

      a1   1 + a2 − a1 
1 −        =           >0
 1 + a2   1 + a2 
a1 < 1 + a2                                                                                    [1.22]
a1 > −1 − a2



                                                 a2

                                                          1

                                                                       a1
                                                               1   2
                                                              -1



-   Criterio de Nyquist
         Es el equivalente al de los sistemas continuos
         Sea el sistema


                                rk          uk                         yk
                                      +
                                                          G(z)
                                      +



                                                          -1




                                                                            Control Digital 5.doc 6
Y ( z)   G ( z)
H (z) =          =                                                                                    [1.23]
          U ( z ) 1+ G ( z)

         La ecuación característica es

1+ G ( z ) = 0                                                                                        [1.24]


                                    Plano Z                 Im




                                                                         G




                                                       1
                                                                              Re




                                                 inf




Ejemplo 1.3. Sistema de Segundo Orden

                0,25k
G(z) =                                                                                                [1.25]
          ( z − 1) ( z − 0,5)
               0,25k 1,5 (1 − cos ω ) − 2 sen2ω − jsenω ( 2cosω − 1, 5 ) 
G ( e jω ) =                                                                                        [1.26]
                                ( 2 − 2cos ω )(1,25 + cos ω )




                                                                                   Control Digital 5.doc 7
Im        Plano Z




                                                                            G




                                    -1                                           Re




                                                   inf




            el camino cruza el eje real negativo en ω = −0,5
            el sistema es estable en lazo cerrado para k < 2

-       Robustez
            Tolerancia a variaciones

Teorema 3. Sea G 0 ( z ) el valor real y G ( z ) el valor nominal

          G0 ( z )
H (z) =
    0
                                                                                                      [1.27]
        1 + G0 ( z )

               G ( z)
H (z) =                                                                                               [1.28]
             1 + G( z)

-       si H ( z ) es estable

-       si G 0 ( z ) y G ( z ) tienen la misma cantidad de polos fuera del círculo unidad y

        si se cumple que para z = 1 G ( z ) − G ( z ) < 1 + G ( z )
                                     0
-

            entonces H 0 ( z ) es estable

            Cuando la ganancia del sistema es alta, es fácil de cumplir la condición.

            Se necesita mayor precisión en los lugares donde G ( z ) ; 1

            Otra forma de verlo: la función en lazo cerrado es


                                                                                   Control Digital 5.doc 8
1
H 0 (z) =                                                                                             [1.29]
                           1
             1+
                   G0 ( z)

           los polos en lazo cerrado están en

                    1                   1      1        1 
    f ( z) = 1+                = 1+          + 0     −                                              [1.30]
                  G ( z)
                   0
                                      G ( z ) G ( z ) G ( z) 

           en esta forma vale el nuevo teorema:
           Teorema

           Sea G 0 ( z ) el valor real y G ( z ) el valor nominal

-      si H ( z ) es estable

-      si G 0 ( z ) y G ( z ) tienen la misma cantidad de ceros fuera del círculo unidad y

                                                 1              1           1
-      si se cumple que para z = 1                         −         < 1+
                                             G   0
                                                     (z)       G( z)      G ( z)

           entonces H 0 ( z ) es estable


           Reglas a tener en cuenta:
-      es importante saber la cantidad de polos y ceros inestables
-      no es necesario tener gran precisión en el modelo para frecuencias en la que el sistema
       tiene alta ganancia
-      para aquellas frecuencias en las que no se conoce el modelo con exactitud hay que
       reducir la ganancia

-      hay que tener un modelo preciso para frecuencias en donde G ( z ) ; 1



-      Segundo Método de Lyapunov
           Función de Lyapunov:
           Sea el sistema

xk +1 = f ( xk )           f ( 0) = 0                                                                 [1.31]


                                                                                   Control Digital 5.doc 9
V ( x ) es una función de Lyapunov si

-   V ( x ) es continua en x y V ( 0 ) = 0

-   V ( x ) es definida positiva y

-   ∆V ( x ) = V ( f ( x ) ) − V ( x ) es definida negativa

                                                       X2




                                                                         Xk
                                                              Xk+1


                                                                              X1




                                                                     V(x k)




        Las curvas de nivel de V ( x ) son cerradas alrededor del origen

        La tercera condición dice que la dinámica del sistema es tal que partiendo de un
estado, el siguiente llevará a un valor de V ( x ) menor o más cerca del origen.

Teorema 4. Estabilidad

         La solución xk = 0 es asintóticamente estable si existe una función de Lyapunov
para el sistema
        Si además existe

0 < ϕ ( x ) < V ( x)                                                                                   [1.32]

        y se cumple

ϕ ( x ) → ∞ cuando x → ∞                                                                               [1.33]

        entonces, la solución es asintóticamente estable para cualquier condición inicial.
-   El principal problema es encontrar la función de Lyapunov
-   Para sistemas lineales, una función candidata es


                                                                                   Control Digital 5.doc 10
V ( x ) = xT Px                                                                              [1.34]

        donde

∆V ( x ) = V ( Φx ) − V ( x ) = xT Φ T PΦx − xT Px
                                                                                             [1.35]
         = xT Φ T PΦ − P  x = − xT Qx
                         

        Para que V ( x ) se una función de Lyapunov, debe existir una matriz P, que cumpla

ΦT PΦ − P = −Q                                                                               [1.36]

        con Q definida positiva
        Esta es la ecuación de Lyapunov
        La una matriz P es definida positiva si Q definida positiva
    1.3. Controlabilidad, Alcanzabilidad y Observabilidad

        1.3.1. Controlabilidad y Alcanzabilidad
        Sea el sistema

xn = Φ n x0 + Φ n−1 Γu0 +L + Γun −1
                                                                                             [1.37]
    = Φ n x0 + WcU
        con

Wc = Γ ΦΓ L Φ n−1Γ 
                                                                                           [1.38]


U = uT n−1 L uT 0 
                         T
                                                                                           [1.39]

        si Wc tiene rango n se pueden encontrar n valores de u para llevar al sistema a un
valor deseado xn .

        Si hay más de una entrada la solución no es única.

-   Definición de Controlabilidad:
        Un sistema es controlable si se puede llevar desde cualquier punto al origen en
tiempo finito.

-   Definición de Alcanzabilidad:
        Un sistema es alcanzable si se puede llevar desde cualquier punto a otro cualquiera
en tiempo finito


                                                                         Control Digital 5.doc 11
Controlabilidad no implica alcanzabilidad.
        Por ejemplo si ya está en el origen, es controlable pero no necesariamente
alcanzable.
Teorema

       Un sistema es alcanzable si y solo si Wc es de rango n.

       Wc se llama matriz de controlabilidad.

       Ejemplo

         1 0      1
xk +1 =      xk +   uk                                                                     [1.40]
         0 1      1
       no es alcanzable porque

     1 1
Wc =                                                                                         [1.41]
     1 1
       si tuviera dos entrada con una matriz Γ no singular, el sistema sería alcanzable.
       Ejemplo
       dado

         1    1       1 
xk +1 =         xk +  −0,5 uk
        −0,25 0           
                                                                                               [1.42]
      2 
x0 =  
      2 

                                                             −0,5 
       ¿es posible encontrar una ley de control tal que x2 =      ?
                                                              1 
       La ecuación dice

x2 = Φ2 x0 +ΦΓu0 + Γu1                                                                         [1.43]

       o sea

 −0,5  3,5  1 
      =  +     [ 0,5u0 + u1 ]                                                            [1.44]
 1   −1  −0,5
0,5u0 + u1 = −4                                                                                [1.45]

       tiene solución.

                                                                           Control Digital 5.doc 12
 −3
          Si se parte del origen y se quiere llegar a x2 =  
                                                           2

 −3  1 
 2  =  −0,5 [ 0,5u0 + u1 ]                                                                  [1.46]
           
          no tiene solución
          El sistema no es alcanzable ya que

      1   0,5 
Wc =                                                                                          [1.47]
     −0,5 0,25 
       Partiendo del origen solo se pueden alcanzar los puntos que pertenecen al
             1 
subespacio       
             −0,5
          La característica de alcanzabilidad es independiente de transformaciones.
 %     % %%         % %
Wc = Γ ΦΓ L Φ n −1Γ 
                       
   = T Γ T ΦT − T Γ L T Φ n −1T −1T Γ 
     
                1
                                                                                               [1.48]
    = TWc

          De ahí el porque del nombre de la forma canónica controlable
          Ejemplo
          Sistema en forma canónica controlable

         −a1        −a2   −a3       1
xk +1 =  1           0     0   x +  0 u                                                     [1.49]
                               k   k
         0
                    1      0       0
                                      

                   1 −a1                     a2 − a2 
                                               1
                                                     
Wc = Γ ΦΓ Φ Γ  = 0 1
     
            2
                                              − a1                                            [1.50]
                   0 0                          1 
                                                     
          la inversa es

          1    a1    a2 
W c
   =1
        = 0
               1     − a1 
                                                                                               [1.51]
          0
               0      1  

          generalizando
                                                                            Control Digital 5.doc 13
1 a1 a2       L an −2    an −1 
         0 1 a         L an−3     an −2 
               1                        
Wc=1   = M M M         O M         M                                                          [1.52]
                                        
         0 0 0         L 1         a1 
         0 0 0
                       L     0     1   

-   Seguimiento de Trayectorias
         Si la matriz Γ es de rango n, es posible llegar a un estado en, a lo sumo, n pasos.
         Es necesario pero no suficiente tener n entradas.

         Si el sistema es SISO es fácil hacer seguir una trayectoria rk .

         Se hace

       B ( q)
yk =          uk = rk                                                                           [1.53]
       A ( q)

         la acción de control es

       A ( q)
uk =          rk                                                                                [1.54]
       B ( q)

         Si hay d muestras de retardo, la generación de la actuación es causal
         Recordar cociente de polinomios en q: Solo tiene solución si u parte de estado
inicial cero.
         Tiene que tener inversa estable.
    1.4. Observabilidad

        Definición:    El estado x0 ≠ 0 es no observable si existe un número finito
k1 ≥ n − 1 en donde yk = 0 ∀ 0 ≤ k ≤ k1 resultando x0 = x0 y uk = 0 ∀ 0 ≤ k ≤ k1 .

       El sistema es observable si, conociendo k entradas y k salidas es suficiente para
conocer el estado inicial.
        En un sistema tal como el [1.1] es calculable el efecto de la entrada y no se pierde
generalidad si se hace uk = 0 .

         Se suponen conocidas las salidas y0 , y1 ,L, yn −1

         Con esto se puede plantear



                                                                            Control Digital 5.doc 14
y0 = Cx0
  y1 = Cx1 = C Φx0
                                                                                                 [1.55]
     M
yn−1 = Cxn −1 = C Φ n −1 x0

         vectorialmente

 C          y0 
 CΦ         y 
        x = 1                                                                                [1.56]
 M  0  M 
   n −1          
C Φ         yn−1 
                   
         el estado inicial se puede reconstruir si la matriz de observabilidad

      C 
      CΦ 
Wo =                                                                                           [1.57]
      M 
        n −1 
     C Φ 
         tiene rango n.
         Teorema
         El sistema 5.1 es observable sii la matriz de observabilidad tiene rango n.
         Ejemplo
         Sea el sistema

        1,1 −0,3
xk +1 = 
              0 
                    xk
        1                                                                                      [1.58]
  yk = [1 0,5] xk

         la matriz de observabilidad es

      C   1 −0,5
Wo =   =                                                                                     [1.59]
     C Φ   0,6 −0,3
         tiene rango 1.
         En la figura siguiente se muestra la respuesta del sistema para diferentes estados
iniciales. Se observa que para todos los estados que están en una recta paralela a [ 0,5 1]
dan la misma salida. (b y d)


                                                                             Control Digital 5.doc 15
-17
                   x 10
              6                                                         1.4


                                                                        1.2
              5

                                                                         1
              4

                                                                        0.8
              3
                                                                        0.6

              2
                                                                        0.4


              1
                                                                        0.2


              0                                                          0
                   0            5       10     15    20    25      30         0   5   10   15   20   25    30




             2.5                                                        1.4


                                                                        1.2
              2

                                                                         1

             1.5
                                                                        0.8


                                                                        0.6
              1

                                                                        0.4

             0.5
                                                                        0.2


              0                                                          0
                   0            5       10     15    20    25      30         0   5   10   15   20   25    30




     1.5. Descomposición de Kalman
         Un sistema puede tener solo una parte observable y otra alcanzable.
       Estas partes son subespacios del espacio de estado independientes de las
coordenadas de estado.
        Se puede demostrar que existe una transformación tal que el sistema se particiona de
la forma:

        Φ11 Φ12                    0         0         Γ1 
         0 Φ                       0         0         
xk +1 = 
              22                                   x +  0 u
        Φ31 Φ32                    Φ33      Φ34 
                                                     k
                                                         Γ3  k                                                [1.60]
                                                       
         0 Φ 43
                                    0       Φ 44 
                                                       0
    yk = [ C1 C2                0 0] xk

         en donde hay cuatro partes

-     S oa observable y alcanzable

-     S oa observable pero no alcanzable

-     S oa no observable pero alcanzable


                                                                                           Control Digital 5.doc 16
-   S oa ni observable ni alcanzable

        La función de transferencia es única y se puede expresar como

G ( q ) = C1 ( qI − Φ11 ) Γ1
                        −1
                                                                                                [1.61]


                                                    C-noO




                        u
                                                                        y
                                                    C-O




                                                    noC-O




                                                   noC-noO




    1.6. Pérdida de Alcanzabilidad y Observabilidad debido al muestreo
        Las matrices del sistema muestreado dependen del período de muestreo.
       Para que el sistema muestreado sea alcanzable, el continuo lo debe ser. Pero esta se
puede perder al muestrear.
        La no observabilidad de los sistemas muestreados se presenta en las llamadas
oscilaciones oculta en donde un sistema continuo es observable y el discreto deja de serlo.
        Ejemplo: Oscilador armónico.

         cos (ωT ) sen (ωT )        1 − cos (ωT ) 
xk +1 =                        xk +                uk
         sen ( ωT ) cos (ωT )         sen (ωT )                                             [1.62]
  yk = [1 0 ] xk

        el determinante de las matrices de controlabilidad y observabilidad es

det Wc = − sen (ω T ) (1 − cos (ω T ) )
                                                                                                [1.63]
det Wo = sen ( ωT )

        Ambas se pierden para ωT = nπ a pesar de que el sistema continuo es observable y
controlable.


                                                                            Control Digital 5.doc 17
1.7. Un Controlador Simple
           Ventajas de la realimentación (tanto continua como discreta):
-   Mejoras en el transitorio
-   Disminuye la sensibilidad a cambios de parámetros del sistema
-   Corrige errores en régimen permanente

           1.7.1. Estado Estacionario
           Sea un lazo simple de realimentación.
           El error será

              1
ek =                      rk                                                                         [1.64]
       1 + R (q ) G ( q )

        Si la entrada es un escalón, aplicando el teorema del valor final, se puede calcular el
error en régimen estacionario haciendo q = 1 en [1.64].
         El número de integradores en lazo abierto determina el tipo de referencia para la
cual el sistema no tiene error estacionario.
        Si en lazo abierto hay p integradores, el sistema no tendrá error estacionario para
referencias polinómicas en k de orden menor a p.
           Ejemplo
           Sea el sistema
                          q − 0,5
yk = G ( q ) uk =                       u                                                            [1.65]
                     ( q − 0,8) ( q − 1) k
           realimentando resulta

ek =
             ( q − 0,8)( q − 1)    r                                                                 [1.66]
       ( q − 0,8)( q − 1) + q − 0,5 k
           Si la referencia es un escalón el error final es cero (haciendo q = 1 )
           Otra forma de verlo es observando el integrador que posee el sistema en lazo
abierto.
           Si la referencia es una rampa se debe calcular

                     ( z − 0,8) ( z − 1)     z (1 − z )
                                                    −1

lim ek = lim                                             = 0,4                                       [1.67]
          z →1 ( z − 0,8 )( z − 1) + z − 0,5
                                              ( z − 1)
k →∞                                                   2




                                                                                 Control Digital 5.doc 18
En la literatura es frecuente representar la referencia o perturbación como generada
por un impulso aplicado a cierto sistema:

rk = H r ( q ) δ k                                                                                  [1.68]


                                                        rk       ek=uk           yk
                                               Hr(q)                     G(q)
                                                             +    +



                                                                          -1



               Si se quiere representar un escalón

                   q
Hr ( q ) =                                                                                          [1.69]
                 q −1
               o una rampa
                     q
Hr ( q ) =                                                                                          [1.70]
                 ( q − 1)
                            2



               es más fácil aplicar el teorema del valor final.
    1.8. Simulación
               Es importante pero
               No olvidar que debe ir acompañada del análisis.
               Nunca se pueden simular los infinitos casos
    1.9. Control de un Doble Integrador

                0,5 ( q + 1)
G (q) =                                                                                             [1.71]
                 ( q − 1)
                            2



               Objetivo: seguir una trayectoria
               Tipo de control: digital, proporcional

uk = K p [ rk − yk ] = K p ek                                                                       [1.72]

               la ecuación característica es

( q − 1)       + 0,5K p ( q + 1) = 0
           2
                                                                                                    [1.73]



                                                                                Control Digital 5.doc 19
el sistema es inestable independiente de la ganancia


                                                                                 Plano Z




                                                                                            1




           Otro Control:

uk = K p [ ek − Td yk ]
                   &                                                                                           [1.74]

           se muestrea también la velocidad
                                                                       u             dy/dt            y
                      r
                                                            u*
                                          Computador
                             CAD                                 CDA       1/s                  1/s
                                             H(z)




           Para calcular la relación entrada salida se observa que en el sistema continuo
            &
           dy
u (t ) =                                                                                                       [1.75]
           dt
           como u es constante durante el muestreo,
&       &
yk +1 − yk = uk                                                                                                [1.76]

           o
         1
&
yk =        uk                                                                                                 [1.77]
       q −1
           reemplazando resulta

                     0,5 K p ( q + 1)
yk =                                                   rk
       ( q − 1) ( q − 1 + Td K p ) + 0,5K p ( q + 1)
                                                                                                               [1.78]


           Es un sistema de segundo orden con dos parámetros (las ganancias) para ajustar.
                                                                                           Control Digital 5.doc 20
El sistema es estable para K p > 0;Td > 0,5; K pTd < 2

               Root locus para Td = 1,5


                                                                            Plano Z




                                                                                    1




-   Respuesta al escalón

        Para K p = 1 el sistema llega al valor final en dos muestras, es el llamado control de
tiempo finito.
        Para ganancias superiores hay un polo real negativo que da el carácter oscilante de
la respuesta

               El límite es K p = 4 3

     1.4

                                                              1.4
     1.2
                                                              1.2
      1
                                                               1

     0.8
                                                              0.8

     0.6
                                                              0.6

     0.4
                                                              0.4

     0.2
                                                              0.2


      0                                                        0
           0          2       4         6    8      10              0   2       4          6      8      10




                                                                                        Control Digital 5.doc 21
1

               0.9                                             1.4


               0.8                                             1.2

               0.7
                                                                1
               0.6

               0.5                                             0.8


               0.4                                             0.6

               0.3
                                                               0.4
               0.2
                                                               0.2
               0.1

                0                                               0
                     0    2        4        6    8   10              0   2    4         6     8     10




         Cuidado!!!
         Si el sistema se representa como

yk = 2 yk −1 − yk − 2 + 0,5uk − 1 + 0,5uk − 2                                                            [1.79]

         Se intenta seguir un referencia.
         Una opción es hacer

rk = 2 yk −1 − yk − 2 + 0,5uk − 1 + 0,5uk − 2                                                            [1.80]

         y despejar u

          rk +1 = 2 yk − yk + 0,5uk + 0,5uk −1
            1
uk ( q + 1) = qrk − ( 2q −1) yk                                                                          [1.81]
            2
                   2q         2 ( 2q − 1)
           uk =          rk −             y
                ( q + 1)        ( q + 1) k
         la salida en lazo cerrado es

yk = rk −1                                                                                               [1.82]

         Parece igual que el anterior pero la respuesta del último es la de la figura




                                                                                  Control Digital 5.doc 22
5

                                 4

                                 3

                                 2

                                 1

                                 0

                                 -1

                                 -2

                                 -3

                                 -4

                                 -5
                                      0     2    4         6        8        10




        Hay una oscilación oculta
         Algo se puede ver analizando el sistema discreto que en lazo cerrado tiene una
transferencia

                    q ( q + 1)
yk =                                       rk
     ( q + 1)  q − 2q + 1 − ( −2q + 1)
              
                2
                                       
                                                                                               [1.83]
      q ( q + 1)
    = 2          rk = rk −1
     q ( q + 1)

        El sistema es de tercer orden.
        Hay una cancelación de polos y ceros
        Lo que pasa es que se pierde la observabilidad debido a la elección del controlador.

-   Oscilaciones Ocultas
       Son oscilaciones del sistema continuo no observadas por el sistema discreto
(también llamadas intersample ripple).
        Se pueden ver con simulación o con z-modificada
        Se deben, básicamente, a que el sistema está en lazo abierto entre muestras
        Se distinguen dos tipos
-   Oscilaciones debidas al sistema continuo
-   Oscilaciones debidas al controlador
        El primer caso se puede deber a pérdida de observabilidad debida al muestreo.


                                                                           Control Digital 5.doc 23
En la función de transferencia se cancelan polos y ceros.
                  Estas oscilaciones ocurren para ciertos valores de muestreo
                  Se puede cambiar el período de muestreo y analizar observabilidad
        El segundo tipo ocurre con ceros poco amortiguados que son cancelados por el
controlador.
                  Son independiente del período de muestreo (caso doble integrador)
       Resumen:
              No existen oscilaciones ocultas si el sistema continuo no tiene modos no
observables oscilantes y si los ceros inestables o cercanos a la inestabilidad no son
cancelados.
       Ejemplo:

             1           π
G ( s) =        +                                                                                 [1.84]
           s + 1 ( s + 0,02 ) 2 + π 2

       con T = 2 su FT discreta es
           1− a
G (z) =                                                                                           [1.85]
           z−a
                 −2
       con a = e
       el sistema discreto es de primer orden y el continuo es de tercero.
       Esto indica que existirán oscilaciones ocultas.
       La figura muestra la respuesta al escalón del sistema continuo y sus muestras

                              1.6


                              1.4


                              1.2


                               1


                              0.8


                              0.6


                              0.4


                              0.2


                               0
                                    0    2         4         6         8         10




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  • 1. 1. Análisis de los Sistemas Discretos 1. Análisis de los Sistemas Discretos____________________________________ 1 1.1. Introducción ________________________________________________________ 2 1.2. Estabilidad __________________________________________________________ 2 1.2.1. Estabilidad de Sistemas Lineales ________________________________________ 2 1.2.2. Estabilidad de Sistemas con Entrada y Salida Acotadas(BIBO) __________________ 3 1.2.3. Cómputo de la Estabilidad _____________________________________________ 4 1.3. Controlabilidad, Alcanzabilidad y Observabilidad _______________________ 11 1.3.1. Controlabilidad y Alcanzabilidad _______________________________________ 11 1.4. Observabilidad _____________________________________________________ 14 1.5. Descomposición de Kalman ___________________________________________ 16 1.6. Pérdida de Alcanzabilidad y Observabilidad debido al muestreo ___________ 17 1.7. Un Controlador Simple ______________________________________________ 18 1.7.1. Estado Estacionario_________________________________________________ 18 1.8. Simulación _________________________________________________________ 19 1.9. Control de un Doble Integrador _______________________________________ 19 Control Digital 5.doc 1
  • 2. 1.1. Introducción Los sistemas a estudiar son  xk +1 = Φxk + Γuk  [1.1]  yk = Cxk A ( q) y k = B (q ) u k [1.2] A ( q ) = q na + a1q na −1 + L + ana [1.3] B ( q ) = b0q nb + b1q nb −1 + L + bnb 1.2. Estabilidad Dada unas secuencia xk +1 = f ( x k , k ) [1.4] sean dos secuencias xk y x 0k soluciones de [1.4] Se dice que la secuencia x 0k es estable si dado xk0 − x 0k0 < δ [1.5] se cumple xk − x 0k < ε ∀k ≥ k0 [1.6] 0 Se dice que la secuencia x k es asintóticamente estable si se cumple xk − x 0k → 0 k → ∞ [1.7] 1.2.1. Estabilidad de Sistemas Lineales Sea el sistema x 0k +1 = Φ x 0k [1.8] con x 00 = a0 [1.9] se cambia el valor inicial Control Digital 5.doc 2
  • 3. x0 = a [1.10] resultando xk +1 = Φxk [1.11] La diferencia entre ambas soluciones es xk +1 = x k +1 − x 0k +1 = Φ xk [1.12] con x0 = a − a 0 [1.13] esto implica que si x 0 es estable, toda otra solución será también estable. Se deduce que la estabilidad es una característica del sistema y no de una solución determinada. La solución de xk = Φ k x0 [1.14] Si la matriz Φ se puede diagonalizar, la solución es una combinación lineal de los autovalores. Si la matriz Φ no se puede diagonalizar, la solución es una combinación lineal del producto de polinomios por los autovalores. Pero en ambos casos, para que la solución tienda a cero los autovalores deberán ser menor que 1. Teorema 1. Un sistemas discreto, lineal, invariante en el tiempo es asintóticamente estable si todos los autovalores de Φ están dentro del círculo unidad. 1.2.2. Estabilidad de Sistemas con Entrada y Salida Acotadas(BIBO) Un sistema cuya entrada es acotada, es estable si su salida también lo es. La estabilidad asintótica es más restrictiva. Ejemplo 1.1. Oscilador Armónico  cos (ω T ) sen (ω T )  1 − cos (ω T )  xk +1 =   xk +   uk − sen (ω T ) cos (ω T )   sen (ω T )  [1.15] yk = [1 0] xk Los autovalores son 1. Control Digital 5.doc 3
  • 4. Si la entrada es nula, el sistema es estable porque xk = x0 Pero si la entrada es una onda cuadrada de frecuencia ω la salida es 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 0 5 10 15 20 25 30 El sistema es estable pero no es estable en el sentido de entrada y salida acotada 1.2.3. Cómputo de la Estabilidad - Cómputo directo de los autovalores - lugar de las raíces - criterio de Nyquist - método de Lyapunov - Cálculo directo: cálculo de las raíces de A ( q ) = qna + a1qna −1 + L + ana [1.16] no es adecuado para calcularlo manualmente en sistemas de alto orden - Criterio de Jury (Routh-Hurwitz) Se forma la siguiente tabla a0 a1 L an−1 an Control Digital 5.doc 4
  • 5. an an−1 L a1 a0 an αn = a0 a n−10 a n−11 L a n−1n −1 a n−1n −1 a n−1n− 2 L a n−10 a n−1n α n −1 = a n −10 M a 00 con aik −1 = aik − α k ak −i k k [1.17] ak αk = k a0 Teorema 2. Si a0 > 0 , el sistema es estable si todos los a0 son positivos. Si ningún a0 , la k k k cantidad de a0 negativos es igual al número de raíces fuera del círculo unidad. Ejemplo 1.2. Sistema A ( q ) = q 2 + a1q + a2 = 0 [1.18] 1 a1 a2 a2 a1 1 a2 α2 = 1 a1 = a 0 − α 2 a2 = 1 − a2 a2 = 1 − ( a2 ) 0 2 2 2 a1 = a 1 − α 2a12 = a1 − a2a1 = a1 (1 − a2 ) 1 2 a1 (1 − a2 ) 1 − ( a2 ) a1 a1 (1 − a2 ) 2 1 a1 α1 = = 2 = a0 1 − ( a2 ) 1 1 + a2 0 1 1 1 ( 2  ) a  a0 = a0 − α1a0 = a0 (1 − α1 ) = 1 − (a2 )  1 − 1   1 + a2  Todas las raíces están dentro del círculo unidad si: a1 = 1 − ( a2 ) > 0 2 0 [1.19] Control Digital 5.doc 5
  • 6. ( ) 2  a  a0 = 1 − ( a2 )  1 − 1  > 0 0  1 + a2  [1.20] esto implica a2 < 1 [1.21]  a1   1 + a2 − a1  1 − = >0  1 + a2   1 + a2  a1 < 1 + a2 [1.22] a1 > −1 − a2 a2 1 a1 1 2 -1 - Criterio de Nyquist Es el equivalente al de los sistemas continuos Sea el sistema rk uk yk + G(z) + -1 Control Digital 5.doc 6
  • 7. Y ( z) G ( z) H (z) = = [1.23] U ( z ) 1+ G ( z) La ecuación característica es 1+ G ( z ) = 0 [1.24] Plano Z Im G 1 Re inf Ejemplo 1.3. Sistema de Segundo Orden 0,25k G(z) = [1.25] ( z − 1) ( z − 0,5) 0,25k 1,5 (1 − cos ω ) − 2 sen2ω − jsenω ( 2cosω − 1, 5 )  G ( e jω ) =   [1.26] ( 2 − 2cos ω )(1,25 + cos ω ) Control Digital 5.doc 7
  • 8. Im Plano Z G -1 Re inf el camino cruza el eje real negativo en ω = −0,5 el sistema es estable en lazo cerrado para k < 2 - Robustez Tolerancia a variaciones Teorema 3. Sea G 0 ( z ) el valor real y G ( z ) el valor nominal G0 ( z ) H (z) = 0 [1.27] 1 + G0 ( z ) G ( z) H (z) = [1.28] 1 + G( z) - si H ( z ) es estable - si G 0 ( z ) y G ( z ) tienen la misma cantidad de polos fuera del círculo unidad y si se cumple que para z = 1 G ( z ) − G ( z ) < 1 + G ( z ) 0 - entonces H 0 ( z ) es estable Cuando la ganancia del sistema es alta, es fácil de cumplir la condición. Se necesita mayor precisión en los lugares donde G ( z ) ; 1 Otra forma de verlo: la función en lazo cerrado es Control Digital 5.doc 8
  • 9. 1 H 0 (z) = [1.29] 1 1+ G0 ( z) los polos en lazo cerrado están en 1 1  1 1  f ( z) = 1+ = 1+ + 0 −  [1.30] G ( z) 0 G ( z ) G ( z ) G ( z)  en esta forma vale el nuevo teorema: Teorema Sea G 0 ( z ) el valor real y G ( z ) el valor nominal - si H ( z ) es estable - si G 0 ( z ) y G ( z ) tienen la misma cantidad de ceros fuera del círculo unidad y 1 1 1 - si se cumple que para z = 1 − < 1+ G 0 (z) G( z) G ( z) entonces H 0 ( z ) es estable Reglas a tener en cuenta: - es importante saber la cantidad de polos y ceros inestables - no es necesario tener gran precisión en el modelo para frecuencias en la que el sistema tiene alta ganancia - para aquellas frecuencias en las que no se conoce el modelo con exactitud hay que reducir la ganancia - hay que tener un modelo preciso para frecuencias en donde G ( z ) ; 1 - Segundo Método de Lyapunov Función de Lyapunov: Sea el sistema xk +1 = f ( xk ) f ( 0) = 0 [1.31] Control Digital 5.doc 9
  • 10. V ( x ) es una función de Lyapunov si - V ( x ) es continua en x y V ( 0 ) = 0 - V ( x ) es definida positiva y - ∆V ( x ) = V ( f ( x ) ) − V ( x ) es definida negativa X2 Xk Xk+1 X1 V(x k) Las curvas de nivel de V ( x ) son cerradas alrededor del origen La tercera condición dice que la dinámica del sistema es tal que partiendo de un estado, el siguiente llevará a un valor de V ( x ) menor o más cerca del origen. Teorema 4. Estabilidad La solución xk = 0 es asintóticamente estable si existe una función de Lyapunov para el sistema Si además existe 0 < ϕ ( x ) < V ( x) [1.32] y se cumple ϕ ( x ) → ∞ cuando x → ∞ [1.33] entonces, la solución es asintóticamente estable para cualquier condición inicial. - El principal problema es encontrar la función de Lyapunov - Para sistemas lineales, una función candidata es Control Digital 5.doc 10
  • 11. V ( x ) = xT Px [1.34] donde ∆V ( x ) = V ( Φx ) − V ( x ) = xT Φ T PΦx − xT Px [1.35] = xT Φ T PΦ − P  x = − xT Qx   Para que V ( x ) se una función de Lyapunov, debe existir una matriz P, que cumpla ΦT PΦ − P = −Q [1.36] con Q definida positiva Esta es la ecuación de Lyapunov La una matriz P es definida positiva si Q definida positiva 1.3. Controlabilidad, Alcanzabilidad y Observabilidad 1.3.1. Controlabilidad y Alcanzabilidad Sea el sistema xn = Φ n x0 + Φ n−1 Γu0 +L + Γun −1 [1.37] = Φ n x0 + WcU con Wc = Γ ΦΓ L Φ n−1Γ    [1.38] U = uT n−1 L uT 0  T   [1.39] si Wc tiene rango n se pueden encontrar n valores de u para llevar al sistema a un valor deseado xn . Si hay más de una entrada la solución no es única. - Definición de Controlabilidad: Un sistema es controlable si se puede llevar desde cualquier punto al origen en tiempo finito. - Definición de Alcanzabilidad: Un sistema es alcanzable si se puede llevar desde cualquier punto a otro cualquiera en tiempo finito Control Digital 5.doc 11
  • 12. Controlabilidad no implica alcanzabilidad. Por ejemplo si ya está en el origen, es controlable pero no necesariamente alcanzable. Teorema Un sistema es alcanzable si y solo si Wc es de rango n. Wc se llama matriz de controlabilidad. Ejemplo  1 0 1 xk +1 =   xk +   uk [1.40]  0 1 1 no es alcanzable porque 1 1 Wc =   [1.41] 1 1 si tuviera dos entrada con una matriz Γ no singular, el sistema sería alcanzable. Ejemplo dado  1 1  1  xk +1 =   xk +  −0,5 uk −0,25 0   [1.42] 2  x0 =   2  −0,5  ¿es posible encontrar una ley de control tal que x2 =  ?  1  La ecuación dice x2 = Φ2 x0 +ΦΓu0 + Γu1 [1.43] o sea  −0,5  3,5  1   =  +  [ 0,5u0 + u1 ] [1.44]  1   −1  −0,5 0,5u0 + u1 = −4 [1.45] tiene solución. Control Digital 5.doc 12
  • 13.  −3 Si se parte del origen y se quiere llegar a x2 =   2  −3  1   2  =  −0,5 [ 0,5u0 + u1 ] [1.46]     no tiene solución El sistema no es alcanzable ya que  1 0,5  Wc =   [1.47] −0,5 0,25  Partiendo del origen solo se pueden alcanzar los puntos que pertenecen al  1  subespacio    −0,5 La característica de alcanzabilidad es independiente de transformaciones. % % %% % % Wc = Γ ΦΓ L Φ n −1Γ    = T Γ T ΦT − T Γ L T Φ n −1T −1T Γ   1  [1.48] = TWc De ahí el porque del nombre de la forma canónica controlable Ejemplo Sistema en forma canónica controlable  −a1 −a2 −a3   1 xk +1 =  1 0 0  x +  0 u [1.49]   k   k  0  1 0   0   1 −a1 a2 − a2  1   Wc = Γ ΦΓ Φ Γ  = 0 1  2  − a1  [1.50] 0 0 1    la inversa es 1 a1 a2  W c =1 = 0  1 − a1   [1.51] 0  0 1   generalizando Control Digital 5.doc 13
  • 14. 1 a1 a2 L an −2 an −1  0 1 a L an−3 an −2   1  Wc=1 = M M M O M M  [1.52]   0 0 0 L 1 a1  0 0 0  L 0 1   - Seguimiento de Trayectorias Si la matriz Γ es de rango n, es posible llegar a un estado en, a lo sumo, n pasos. Es necesario pero no suficiente tener n entradas. Si el sistema es SISO es fácil hacer seguir una trayectoria rk . Se hace B ( q) yk = uk = rk [1.53] A ( q) la acción de control es A ( q) uk = rk [1.54] B ( q) Si hay d muestras de retardo, la generación de la actuación es causal Recordar cociente de polinomios en q: Solo tiene solución si u parte de estado inicial cero. Tiene que tener inversa estable. 1.4. Observabilidad Definición: El estado x0 ≠ 0 es no observable si existe un número finito k1 ≥ n − 1 en donde yk = 0 ∀ 0 ≤ k ≤ k1 resultando x0 = x0 y uk = 0 ∀ 0 ≤ k ≤ k1 . El sistema es observable si, conociendo k entradas y k salidas es suficiente para conocer el estado inicial. En un sistema tal como el [1.1] es calculable el efecto de la entrada y no se pierde generalidad si se hace uk = 0 . Se suponen conocidas las salidas y0 , y1 ,L, yn −1 Con esto se puede plantear Control Digital 5.doc 14
  • 15. y0 = Cx0 y1 = Cx1 = C Φx0 [1.55] M yn−1 = Cxn −1 = C Φ n −1 x0 vectorialmente  C   y0   CΦ   y   x = 1  [1.56]  M  0  M   n −1    C Φ   yn−1    el estado inicial se puede reconstruir si la matriz de observabilidad  C   CΦ  Wo =   [1.57]  M   n −1  C Φ  tiene rango n. Teorema El sistema 5.1 es observable sii la matriz de observabilidad tiene rango n. Ejemplo Sea el sistema 1,1 −0,3 xk +1 =  0  xk 1  [1.58] yk = [1 0,5] xk la matriz de observabilidad es  C   1 −0,5 Wo =   =   [1.59] C Φ   0,6 −0,3 tiene rango 1. En la figura siguiente se muestra la respuesta del sistema para diferentes estados iniciales. Se observa que para todos los estados que están en una recta paralela a [ 0,5 1] dan la misma salida. (b y d) Control Digital 5.doc 15
  • 16. -17 x 10 6 1.4 1.2 5 1 4 0.8 3 0.6 2 0.4 1 0.2 0 0 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 2.5 1.4 1.2 2 1 1.5 0.8 0.6 1 0.4 0.5 0.2 0 0 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 1.5. Descomposición de Kalman Un sistema puede tener solo una parte observable y otra alcanzable. Estas partes son subespacios del espacio de estado independientes de las coordenadas de estado. Se puede demostrar que existe una transformación tal que el sistema se particiona de la forma: Φ11 Φ12 0 0   Γ1   0 Φ 0 0    xk +1 =  22  x +  0 u Φ31 Φ32 Φ33 Φ34  k  Γ3  k [1.60]      0 Φ 43  0 Φ 44   0 yk = [ C1 C2 0 0] xk en donde hay cuatro partes - S oa observable y alcanzable - S oa observable pero no alcanzable - S oa no observable pero alcanzable Control Digital 5.doc 16
  • 17. - S oa ni observable ni alcanzable La función de transferencia es única y se puede expresar como G ( q ) = C1 ( qI − Φ11 ) Γ1 −1 [1.61] C-noO u y C-O noC-O noC-noO 1.6. Pérdida de Alcanzabilidad y Observabilidad debido al muestreo Las matrices del sistema muestreado dependen del período de muestreo. Para que el sistema muestreado sea alcanzable, el continuo lo debe ser. Pero esta se puede perder al muestrear. La no observabilidad de los sistemas muestreados se presenta en las llamadas oscilaciones oculta en donde un sistema continuo es observable y el discreto deja de serlo. Ejemplo: Oscilador armónico.  cos (ωT ) sen (ωT )  1 − cos (ωT )  xk +1 =   xk +   uk  sen ( ωT ) cos (ωT )   sen (ωT )  [1.62] yk = [1 0 ] xk el determinante de las matrices de controlabilidad y observabilidad es det Wc = − sen (ω T ) (1 − cos (ω T ) ) [1.63] det Wo = sen ( ωT ) Ambas se pierden para ωT = nπ a pesar de que el sistema continuo es observable y controlable. Control Digital 5.doc 17
  • 18. 1.7. Un Controlador Simple Ventajas de la realimentación (tanto continua como discreta): - Mejoras en el transitorio - Disminuye la sensibilidad a cambios de parámetros del sistema - Corrige errores en régimen permanente 1.7.1. Estado Estacionario Sea un lazo simple de realimentación. El error será 1 ek = rk [1.64] 1 + R (q ) G ( q ) Si la entrada es un escalón, aplicando el teorema del valor final, se puede calcular el error en régimen estacionario haciendo q = 1 en [1.64]. El número de integradores en lazo abierto determina el tipo de referencia para la cual el sistema no tiene error estacionario. Si en lazo abierto hay p integradores, el sistema no tendrá error estacionario para referencias polinómicas en k de orden menor a p. Ejemplo Sea el sistema q − 0,5 yk = G ( q ) uk = u [1.65] ( q − 0,8) ( q − 1) k realimentando resulta ek = ( q − 0,8)( q − 1) r [1.66] ( q − 0,8)( q − 1) + q − 0,5 k Si la referencia es un escalón el error final es cero (haciendo q = 1 ) Otra forma de verlo es observando el integrador que posee el sistema en lazo abierto. Si la referencia es una rampa se debe calcular ( z − 0,8) ( z − 1) z (1 − z ) −1 lim ek = lim = 0,4 [1.67] z →1 ( z − 0,8 )( z − 1) + z − 0,5 ( z − 1) k →∞ 2 Control Digital 5.doc 18
  • 19. En la literatura es frecuente representar la referencia o perturbación como generada por un impulso aplicado a cierto sistema: rk = H r ( q ) δ k [1.68] rk ek=uk yk Hr(q) G(q) + + -1 Si se quiere representar un escalón q Hr ( q ) = [1.69] q −1 o una rampa q Hr ( q ) = [1.70] ( q − 1) 2 es más fácil aplicar el teorema del valor final. 1.8. Simulación Es importante pero No olvidar que debe ir acompañada del análisis. Nunca se pueden simular los infinitos casos 1.9. Control de un Doble Integrador 0,5 ( q + 1) G (q) = [1.71] ( q − 1) 2 Objetivo: seguir una trayectoria Tipo de control: digital, proporcional uk = K p [ rk − yk ] = K p ek [1.72] la ecuación característica es ( q − 1) + 0,5K p ( q + 1) = 0 2 [1.73] Control Digital 5.doc 19
  • 20. el sistema es inestable independiente de la ganancia Plano Z 1 Otro Control: uk = K p [ ek − Td yk ] & [1.74] se muestrea también la velocidad u dy/dt y r u* Computador CAD CDA 1/s 1/s H(z) Para calcular la relación entrada salida se observa que en el sistema continuo & dy u (t ) = [1.75] dt como u es constante durante el muestreo, & & yk +1 − yk = uk [1.76] o 1 & yk = uk [1.77] q −1 reemplazando resulta 0,5 K p ( q + 1) yk = rk ( q − 1) ( q − 1 + Td K p ) + 0,5K p ( q + 1) [1.78] Es un sistema de segundo orden con dos parámetros (las ganancias) para ajustar. Control Digital 5.doc 20
  • 21. El sistema es estable para K p > 0;Td > 0,5; K pTd < 2 Root locus para Td = 1,5 Plano Z 1 - Respuesta al escalón Para K p = 1 el sistema llega al valor final en dos muestras, es el llamado control de tiempo finito. Para ganancias superiores hay un polo real negativo que da el carácter oscilante de la respuesta El límite es K p = 4 3 1.4 1.4 1.2 1.2 1 1 0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 0 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 Control Digital 5.doc 21
  • 22. 1 0.9 1.4 0.8 1.2 0.7 1 0.6 0.5 0.8 0.4 0.6 0.3 0.4 0.2 0.2 0.1 0 0 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 Cuidado!!! Si el sistema se representa como yk = 2 yk −1 − yk − 2 + 0,5uk − 1 + 0,5uk − 2 [1.79] Se intenta seguir un referencia. Una opción es hacer rk = 2 yk −1 − yk − 2 + 0,5uk − 1 + 0,5uk − 2 [1.80] y despejar u rk +1 = 2 yk − yk + 0,5uk + 0,5uk −1 1 uk ( q + 1) = qrk − ( 2q −1) yk [1.81] 2 2q 2 ( 2q − 1) uk = rk − y ( q + 1) ( q + 1) k la salida en lazo cerrado es yk = rk −1 [1.82] Parece igual que el anterior pero la respuesta del último es la de la figura Control Digital 5.doc 22
  • 23. 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 0 2 4 6 8 10 Hay una oscilación oculta Algo se puede ver analizando el sistema discreto que en lazo cerrado tiene una transferencia q ( q + 1) yk = rk ( q + 1)  q − 2q + 1 − ( −2q + 1)  2  [1.83] q ( q + 1) = 2 rk = rk −1 q ( q + 1) El sistema es de tercer orden. Hay una cancelación de polos y ceros Lo que pasa es que se pierde la observabilidad debido a la elección del controlador. - Oscilaciones Ocultas Son oscilaciones del sistema continuo no observadas por el sistema discreto (también llamadas intersample ripple). Se pueden ver con simulación o con z-modificada Se deben, básicamente, a que el sistema está en lazo abierto entre muestras Se distinguen dos tipos - Oscilaciones debidas al sistema continuo - Oscilaciones debidas al controlador El primer caso se puede deber a pérdida de observabilidad debida al muestreo. Control Digital 5.doc 23
  • 24. En la función de transferencia se cancelan polos y ceros. Estas oscilaciones ocurren para ciertos valores de muestreo Se puede cambiar el período de muestreo y analizar observabilidad El segundo tipo ocurre con ceros poco amortiguados que son cancelados por el controlador. Son independiente del período de muestreo (caso doble integrador) Resumen: No existen oscilaciones ocultas si el sistema continuo no tiene modos no observables oscilantes y si los ceros inestables o cercanos a la inestabilidad no son cancelados. Ejemplo: 1 π G ( s) = + [1.84] s + 1 ( s + 0,02 ) 2 + π 2 con T = 2 su FT discreta es 1− a G (z) = [1.85] z−a −2 con a = e el sistema discreto es de primer orden y el continuo es de tercero. Esto indica que existirán oscilaciones ocultas. La figura muestra la respuesta al escalón del sistema continuo y sus muestras 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 2 4 6 8 10 Control Digital 5.doc 24