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Taller 11 · Control · Preparcial

Preparcial: sensibilidad, perturbación y error

Ocho ejercicios del capítulo 4 de Dorf, los mismos que escogió el profesor para prepararte el primer examen. Mezclan sensibilidad (taller 5), perturbaciones (taller 9) y error en estado estacionario (taller 8) en el mismo problema, que es justo lo que hace un parcial de verdad. Aquí los resuelves todos, uno por uno, con la misma ruta de siempre.

⏱ 110 minutos
De dónde sale esto. Dorf & Bishop 10.ª ed., capítulo 4 (4.2 sensibilidad, 4.4 perturbaciones, 4.5 error en estado estacionario). Los ocho ejercicios son la selección literal de E. Mojica, «Selección de ejercicios de preparación 1er Examen CONTROL – I-2022», capítulo 4: E4.1, E4.2, E4.3, E4.4, E4.8, E4.9, E4.11 y E4.12. Todos los números de esta página se recalcularon en Python por dos caminos: sympy sobre las ecuaciones de cada sumador (funciones de transferencia y sensibilidades, estas también por diferencias finitas) y simulación numérica con scipy (escalón, rampa y valor final), revisando antes los polos con numpy.roots.
🧑‍🏫 Así lo hace el profe
  1. ApagaUna entrada a la vez: R=0 para la perturbación, D=0 para la referencia.
  2. EcuaciónSumador con sus signos y bloques; despeja E o Y según lo que pidan.
  3. DerivaSensibilidad con la regla de la cadena: S_K^T=S_G^T\,S_K^G.
Verlo con tus apuntes de clase (taller 15) →
En este taller

1 Para qué sirve esto y cuándo se usa

Un parcial casi nunca pregunta solo «saca la función de transferencia». Pregunta «¿qué tan sensible es esto a que ese parámetro cambie?» (sensibilidad, taller 5), «¿cuánto se mueve la salida si algo externo empuja el sistema?» (perturbación, taller 9) y «¿se queda corto o llega exacto en el estado final?» (error, taller 8). Los ocho ejercicios de este taller son esas tres preguntas aplicadas, una y otra vez, a plantas distintas: un amplificador de audio, un panel solar, un brazo robot, un disco duro, una rueda, un submarino, un lazo con sensor imperfecto y un lazo con ruido.

La ruta que sirve para los ocho ejercicios
  1. Dibuja (o reconoce) el lazo y cuenta las entradas: referencia, perturbación, ruido. Si hay más de una, son problemas separados que se suman al final (taller 9).
  2. Arma T(s) = Y/R con la regla del lazo: directo sobre uno más la vuelta completa. Si la realimentación no es unitaria, la vuelta completa lleva H(s) (taller 3).
  3. Si piden sensibilidad: S_K^T = \dfrac{\partial T}{\partial K}\cdot\dfrac{K}{T} (taller 5).
  4. Si piden el efecto de una perturbación: apaga R, saca Y/D con el camino desde D hasta Y (con su signo) sobre el mismo 1+L.
  5. Revisa los polos antes de usar el valor final, y suma los efectos de cada entrada (taller 8).
Qué significa cada símbolo
T(s)
función de transferencia de lazo cerrado, salida sobre referencia unidades de Y sobre unidades de R
S_K^T
sensibilidad de T al parámetro K: qué porcentaje cambia T por cada uno por ciento que cambia K sin unidades
\partial T/\partial K
derivada de T respecto al parámetro, con todo lo demás fijo unidades de T sobre unidades de K
D(s)
perturbación: una entrada que nadie pidió las de la señal a la que se suma
L(s)
ganancia de la vuelta completa del lazo, G(s)H(s) sin unidades
s
variable compleja de Laplace s⁻¹
referencia error señal de control salida perturbación / ruido lo que vuelve

2 El simulador: el submarino de E4.9, dos lazos anidados

Este es el ejercicio con el diagrama más enredado de los ocho: dos sumadores y dos realimentaciones (una de posición con el sensor, una local de velocidad con K_2). Antes de derivarlo a mano, juega con él. Fijas K = 2 y K_2 = 3 (como pide el enunciado) y mueves K_1 entre 1 y 10.

desliza el diagrama →

K_1 2
Entrada
respuesta con el K_1 de arriba referencia o cero
Polo p del lazo—
\tau = 1/|p|—
t_s \approx 4\tau (2 %)—
T(s) con este K_1—
Qué tienes que notar

El lazo es de primer orden (un solo polo, en p = -(K_2+K_1K)): nunca hay sobreimpulso, solo una curva que se acerca más rápido o más despacio. Sube K_1 de 1 a 10 y mira cómo el polo se aleja del origen: la respuesta siempre es más rápida con el K_1 más grande permitido. Mira también dónde se queda la curva: con R escalón la profundidad no llega a 1, sino a T(0) = 2K_1/(3+2K_1) (0{,}571 con K_1 = 2, 0{,}870 con K_1 = 10), porque la realimentación local K_2 le quita al integrador su efecto de tipo 1. Con la perturbación pasa lo mismo al revés: K_1 grande también aplasta el efecto de T_d, porque K_1 aparece en el denominador de Y/T_d pero no en su numerador.

Qué significa cada símbolo
R(s),\ Y(s)
profundidad pedida y profundidad real del submarino m
K
ganancia del sensor de profundidad (y de la entrada, para que las dos se comparen igual) sin unidades
K_1
ganancia del controlador, la que mueves con el deslizador s⁻¹
K_2
ganancia de la realimentación local s⁻¹
T_d(s)
perturbación; entra antes del integrador, así que es una velocidad vertical m/s
p
polo del lazo cerrado, -(K_2+K_1K) s⁻¹
\tau,\ t_s
constante de tiempo y tiempo de asentamiento (banda del 2 %) s

3 E4.1 · Sistema de audio digital

Sensibilidad + perturbación

Enunciado

Un sistema de audio digital se diseña para minimizar el efecto de las perturbaciones (Figura E4.1). V_{in} entra a un sumador que resta V_o (realimentación unitaria); el error pasa por un amplificador K_1; un segundo sumador le suma (+) el ruido de disturbio T_d(s); de ahí G(s) = K_2 (una aproximación) y sale V_o. (a) Sensibilidad de T a K_2. (b) Efecto de T_d sobre V_o. (c) ¿Qué K_1 escoger para minimizar ese efecto?

desliza el diagrama →

Con K_2 = 10 fijo (el libro lo deja en letras; aquí se le pone un número para verlo en la gráfica). Curva: V_o/T_d = K_2/(1+K_1K_2) contra K_1.

Mnemotecnia «La perturbación solo le teme a lo que está antes de ella.» T_d entra después de K_1 pero antes de K_2. Por eso subir K_1 aplasta su efecto y subir K_2 casi no ayuda (la gráfica muestra la caída con K_1; el recuadro de abajo hace la cuenta con K_2). Es la misma regla que cierra el taller 9.
El error de este paso

Pensar que subir cualquier ganancia del lazo ayuda porque «todo se divide por 1+K_1K_2». Con K_1=1 fijo, subir K_2 de 10 a 1000 sube el efecto de V_o/T_d de 0{,}909 a 0{,}999: empeora, porque K_2 también aparece arriba (en el camino de T_d a V_o) y se cancela con la de abajo.

4 E4.2 · Seguimiento solar

Sensibilidad + constante de tiempo

Enunciado

Un sistema en lazo cerrado sigue al sol para sacarle el máximo de potencia a un panel fotovoltaico. Realimentación unitaria y G_c(s)G(s) = \dfrac{100}{\tau s+1}, con \tau = 3 s nominal. (a) Sensibilidad del sistema ante un cambio pequeño de \tau. (b) Constante de tiempo de la respuesta en lazo cerrado.

La roja es la planta sola (\tau = 3\ \text{s}, lenta). La verde es el lazo cerrado con realimentación unitaria: mismo tipo de curva, pero con \tau_{lc} = 3/101 s.

Chequeo con el valor en DC S_\tau^T(s) = \dfrac{-\tau s}{\tau s+101} vale 0 en DC (s=0): tiene sentido, porque en estado estable T(0) no depende de \tau (el polinomio \tau s+101 en s=0 siempre da 101, sin importar \tau). La sensibilidad crece con la frecuencia: a \tau le importa poco el valor final pero sí la velocidad del transitorio.
Lo que te llevas

La realimentación con ganancia alta (100) no solo sigue al sol: también acelera la planta cien veces y la hace casi insensible a \tau en estado estable. Es el mismo efecto que ves en el taller 5 con la sensibilidad a la ganancia de la planta.

5 E4.3 · Brazo robot con cámara

Error en estado estacionario

Enunciado

Un brazo robot con cámara recoge fruta (Figura E4.3). La cámara cierra el lazo hacia un microcomputador que controla el brazo. Realimentación unitaria, planta G(s) = \dfrac{K}{(s+5)^2}. (a) Error en estado estacionario esperado del gripper ante un comando escalón A, en función de K. (b) Nombra una señal de perturbación posible para este sistema.

e_{ss} = 25A/(25+K) con A=1: baja rápido al principio y después cada vez cuesta más subir K para ganar lo mismo (tipo 0: nunca llega a cero).

El error de este paso

Contar las s del denominador sin factorizar y decir «hay dos eses, tipo 2». (s+5)^2 no tiene ninguna raíz en s=0: es tipo 0. El tipo cuenta las raíces en el origen, no el grado del polinomio.

(b) Una perturbación real

El peso de la fruta en el gripper: un par de gravedad variable que cambia con cada fruta que se recoge, igual que el viento en una antena o el agua que sale del tanque del taller 9. Entra como un torque que se suma (o resta) en algún punto de la cadena mecánica, normalmente a la salida del controlador y antes de la dinámica del brazo.

6 E4.4 · Disco magnético

Error en estado estacionario · tipo 1

Enunciado

Una unidad de disco magnético necesita un motor que posicione una cabeza de lectura/escritura sobre las pistas de un disco giratorio (Figura E4.4). Motor y cabeza: G(s) = \dfrac{10}{s(\tau s+1)}, con \tau=0{,}001 s. El controlador multiplica el error por una ganancia K, realimentación unitaria. (a) Error de posición en estado estacionario ante un cambio escalón en la posición deseada. (b) K para un error en estado estacionario de 0,1 mm con una entrada rampa de 10 cm/s.

Arriba, la rampa completa (milímetros, segundos). Abajo, la lupa de la brecha final: con K=100 la cabeza se queda 0,1 mm detrás del punto pedido, para siempre.

Chequeo de estabilidad antes de confiar en el error Con K=100: 0{,}001s^2+s+1000=0, o sea s^2+1000s+10^6=0, polos en -500\pm j866 (\zeta=0{,}5). Las dos raíces con parte real negativa: el valor final que se usó en el paso (b) sí vale.

7 E4.8 · Velocidad de rueda, tracción 4×4

Respuesta completa y(t)

Enunciado

Los vehículos de tracción en las cuatro ruedas son comunes en zonas con hielo y nieve. Un sistema antibloqueo usa un sensor para mantener cada rueda girando y conservar la tracción (Figura E4.8). Realimentación unitaria, GH(s) = \dfrac{5(s+3)}{s(s+15)}. Encuentra la respuesta completa del sistema en lazo cerrado cuando R(s) = A/s.

Sin sobreimpulso: los dos polos son reales (sistema sobreamortiguado). La curva es la suma de dos exponenciales que se restan a 1 en t=0.

Mnemotecnia «Discriminante negativo, polos complejos, sobreimpulso. Discriminante positivo, dos reales, curva mansa.» s^2+20s+15=0: discriminante 400-60=340 > 0. Dos raíces reales y distintas (-0{,}78 y -19{,}22): nunca va a haber oscilación ni sobreimpulso, sin importar qué tan grande sea A. No la generalices a ciegas: un cero cerca del origen sí puede sacar sobreimpulso aunque los polos sean reales. Aquí no pasa, porque los dos términos exponenciales de y(t) tienen el mismo signo (los dos restan) y la curva sube siempre sin pasar de A; la simulación lo confirma.

8 E4.9 · Submarino: control de profundidad

Dos lazos anidados · sensibilidad · perturbación

Enunciado

Los submersibles con casco de plástico transparente podrían revolucionar el buceo turístico. Uno de estos vehículos tiene el sistema de control de profundidad de la Figura E4.9: la referencia R(s) (profundidad deseada) pasa por un bloque K y entra con + a un primer sumador; ese sumador resta la salida del sensor, también K, que mide Y(s); el error E(s) pasa por K_1 y entra con + a un segundo sumador; ese sumador resta la perturbación T_d(s) y resta una realimentación local de velocidad, K_2, tomada de la misma salida; el resultado entra a un integrador 1/s y sale Y(s) (profundidad real). (a) T(s)=Y/R. (b) S_{K_1}^T y S_K^T. (c) Error en estado estacionario por T_d(s)=1/s. (d) y(t) para R(s)=1/s con K=2, K_2=3, 1<K_1<10; escoge K_1 para la respuesta más rápida.

El diagrama y el simulador ya están en la sección 2. Aquí se deriva todo a mano, paso por paso.

9 E4.11 · Realimentación NO unitaria

H \ne 1 · sensibilidad · estabilidad

Enunciado

Lazo cerrado de la Figura E4.11, con G(s)=\dfrac{K}{s+10} y H(s)=\dfrac{14}{s^2+5s+6} (realimentación no unitaria). (a) T(s)=Y/R. (b) Define el error de seguimiento como E(s)=R(s)-Y(s); calcula E(s) y el error en estado estacionario ante R(s)=1/s. (c) Y(s)/T_d(s) y el error en estado estacionario de la salida ante una perturbación escalón unitario. (d) S_K^T.

Compara con la curva de E4.3 (realimentación unitaria): ahí e_{ss}\to 0 al subir K. Aquí no: la curva se frena y, antes de bajar de 0{,}602, el lazo se vuelve inestable en K = 390/7 \approx 55{,}71 (zona roja). La asíntota 4/7\approx 0{,}571 solo existe en el papel.

La trampa de este ejercicio

Pensar que subiendo K mucho el error de seguimiento se va a cero, como en todos los ejercicios de realimentación unitaria. No pasa, por dos razones. Primera: con H\ne 1, la fórmula da T(0)\to 6/14=3/7 cuando K\to\infty (el límite lo fija H, no K), así que e_{ss}\to 1-3/7=4/7. Segunda, y más grave: el denominador s^3+15s^2+56s+60+14K deja de ser estable en K = 390/7 \approx 55{,}71 (Routh, paso 2), así que ni el 4/7 se alcanza: lo mejor, rozando el borde, es 0{,}602. Con K=10: T(0)=0{,}3, error real 0{,}7, pero la señal actuante (lo que en verdad ve el controlador, E_a=R-HY) está en estado estable en 0{,}3: son números distintos y el enunciado puede preguntar por cualquiera de los dos.

10 E4.12 · Ruido de medición

Dos entradas: referencia y ruido

Enunciado

Lazo cerrado con ruido de medición N(s) (Figura E4.12): G(s)=\dfrac{100}{s+100}, G_c(s)=K_1, H(s)=\dfrac{K_2}{s+5}; el sumador de realimentación suma H(s)Y(s) con N(s) y esa suma se resta de R(s) en el sumador de entrada. El error de seguimiento se define como E(s)=R(s)-Y(s). (a) T(s)=Y/R y el error en estado estacionario ante R(s)=1/s, con N=0. (b) Y(s)/N(s) y el error en estado estacionario ante N(s)=1/s, con R=0 (en ese caso la salida deseada es cero). (c) Si la meta es seguir la referencia rechazando el ruido, ¿cómo escoger K_1 y K_2?

desliza el diagrama →

Con K_1=5 fijo. Gris: e_{ss,R}=1-T(0) (qué tanto falla al seguir la referencia). Roja: |y_{ss,N}|=|T(0)| (cuánto ruido se cuela a la salida). Donde una baja, la otra sube exactamente lo mismo.

La identidad que resuelve el ejercicio «No hay ganancia que gane las dos peleas a la vez: siempre suman 1.» Y/N(s) = -T(s) exacto, para cualquier K_1 y K_2: en este diagrama el ruido entra al mismo sumador que la referencia, así que al lazo «no le importa» si lo que llega ahí es -N o R, lo trata igual. Con R=1/s y N=1/s eso deja e_{ss,R} + |y_{ss,N}| = \big(1-T(0)\big) + T(0) = 1, para cualquier combinación de K_1,K_2. Subir una ganancia nunca rompe ese reparto; solo mueve cuánto le toca a cada lado.

11 Ahora tú

Tres ejercicios con la misma ruta. Intenta cada uno antes de abrir la primera pista.

12 Ponte a prueba

13 La receta para el día del parcial

  1. Identifica el lazo: ¿realimentación unitaria o con H(s)? ¿Una entrada o varias (referencia, perturbación, ruido)?
  2. Arma T(s)=Y/R: directo sobre uno más la vuelta completa. Con H\ne 1, el error E=R-Y no se va a cero aunque subas la ganancia, y antes de subirla revisa con Routh hasta dónde aguanta estable (en E4.11, solo hasta K \approx 55{,}7).
  3. Para sensibilidad: deriva T respecto al parámetro y multiplica por «parámetro sobre T». Simplifica antes de reemplazar números.
  4. Para cada entrada extra (perturbación, ruido): apaga las otras, saca el camino de esa entrada a la salida con su signo, mismo denominador de siempre.
  5. Revisa los polos (parte real negativa) antes de usar el valor final. Si no es estable, dilo: no hay e_{ss}.
  6. Si piden «elige la ganancia más rápida» o «minimiza el efecto de…»: la ganancia que está antes del punto que te preocupa es la que manda. Confírmalo con el polo o con la sensibilidad, no solo con la intuición.
  7. Si dos entradas llegan al mismo sumador (como R y N en E4.12), ninguna ganancia constante las separa: lo que mejora el seguimiento empeora el rechazo del ruido, y al revés. Dilo así en el parcial, con la identidad Y/N = -T.
Si solo te llevas tres frases

1. «La perturbación solo le teme a lo que está antes de ella.»

2. «Con H \ne 1, ni el infinito en K te regala error cero» (y casi nunca aguanta estable hasta allá).

3. «Antes del valor final, los polos.»

Responde las preguntas para cerrar el taller.

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