← Volver Control · Parcial 1 · Examen 15/oct/2026
0 / 8
Taller 14 · Control · Examen real resuelto

El Parcial 1 de Control (15/oct/2026), resuelto a fondo

Los tres problemas del examen, con todas sus partes resueltas paso a paso, el porqué de cada paso, simuladores para ver lo que dice cada respuesta y modelos de respuesta para las preguntas de discusión (las que más puntos se pierden).

⏱ 120 minutos el examen · 60–70 minutos este taller
De dónde sale esto. Examen parcial No. 1 de Control, 15 de octubre de 2026, Universidad Nacional de Colombia: 3 problemas, 100 puntos. Los números de este taller se calcularon de forma independiente en verif/v14.py (sympy simbólico + python-control numérico) y las simulaciones salen del integrador RK4 del sitio. Las respuestas de discusión son modelos redactados por mí: tu profesor calificará con su propio criterio.
🧑‍🏫 Así lo hace el profe
  1. DeterminanteCada elemento nuevo: b=\dfrac{-1}{\text{pivote}}\begin{vmatrix}\cdot&\cdot\\\cdot&\cdot\end{vmatrix} con las dos filas de arriba.
  2. CasosCero suelto en la primera columna → \varepsilon. Fila entera de ceros → derivada del polinomio auxiliar. Raíces repetidas en j\omega → inestable.
  3. AtajoSi falta un coeficiente o hay signos distintos en \Delta(s), ya es inestable sin hacer la tabla.
Verlo con tus apuntes de clase (taller 15) →
En este taller

1 El examen de un vistazo

Tres problemas, y los tres giran alrededor de lo mismo: el lazo cerrado T=L/(1+L), con L=GC. Todo lo demás (error, estabilidad, transitorio, sensitividad) se lee de esa fracción.

ProblemaPuntosQué te pidenHerramienta
130Error de rampa, Y/R y Y/D, valor final, Routh, discusión de subir KK_v, 1+L, teorema del valor final, Routh
230Ecuación característica, tabla de Routh, K_{cr}, polinomio auxiliar, estabilidad vs. desempeñoRouth con fila auxiliar
340Segundo orden (\omega_n,\zeta, \%PO, t_p, t_s), sensitividad S=1/(1+G), discusión de diseñoFórmulas de 2.º orden, sensitividad

desliza la tabla →

Estrategia para el examen real

Las partes de cálculo son rápidas y valen mucho; las de discusión valen puntos igual y se pierden por contestar en una línea. Resuelve primero todo el cálculo (≈ 60 min) y deja ≈ 45 min para redactar las cuatro discusiones (1d, 2d, 3b.3 y 3c) con la estructura «qué pasa – por qué – qué más hay que mirar».

referencia r error e control u perturbación d salida y realimentación

2 Antes de empezar: Routh–Hurwitz en 5 minutos

Los problemas 1 y 2 usan Routh–Hurwitz. Ya apareció en los talleres 8, 11 y 12; aquí lo armamos otra vez desde cero, para que no dependas de recordarlo. Qué resuelve: te dice si todas las raíces de un polinomio están en el semiplano izquierdo (sistema estable) sin calcular las raíces. Eso es útil porque con una ganancia K sin valor fijo no hay raíces que calcular.

Pruébalo. Mueve los coeficientes del polinomio s^3+a_2s^2+a_1s+a_0 y mira cómo cambia la tabla. Con los valores del Problema 1 (a_2=7,\ a_1=10) el límite está en a_0=70.

a_27
a_110
a_040

3 Problema 1 · control P y perturbación a la salida (30 pts)

Controlador proporcional K>0, planta G(s)=1/[s(s+2)(s+5)], perturbación D(s) que se suma a la salida de la planta, realimentación unitaria negativa.

desliza el diagrama →

a Error de rampa y condición sobre K

Ruta Ve el tipo del sistema (cuántos 1/s hay en L), saca la constante de velocidad K_v, y con ella el error. Recuerda confirmar después que el lazo sea estable (lo haces en el punto c).

b Funciones de transferencia, valor final y rechazo de perturbación

Ruta Escribe la ecuación en el sumador de salida: Y=GK\,E+D con E=R-Y. Despeja Y: es una sola ecuación, de ahí salen las dos funciones y el valor final por superposición.

c Análisis paramétrico: Routh y la zona buena de K

Ruta El denominador de T es 1+KG en numerador: s^3+7s^2+10s+K. Aplica Routh con la receta de la sección 2 y cruza con la condición de (a).

Míralo moverse. Mueve K: en K=50 el error de rampa es justo 0{,}2; en K=70 el sistema oscila para siempre; pasando 70 se desboca.

K50
Error de rampa 10/K—
¿e\le0{,}2?—
¿Estable?—
Polos—

d Discusión: «subamos K indefinidamente»

Ruta Responde por los cuatro ejes que pide el enunciado: precisión, estabilidad, transitorio y robustez. Empieza dándole la razón en lo que la tiene.
Respuesta modelo

Precisión: sí mejora. Para este sistema tipo 1, e_{ss}=10/K baja al subir K.

Estabilidad: se pierde. Routh exige K<70. En K=70 hay polos en \pm j\sqrt{10} (oscilación sostenida) y por encima el sistema es inestable: el «error de rampa» deja de tener sentido porque la salida diverge. Aumentar K «indefinidamente» es imposible.

Transitorio: empeora mucho antes de 70. Los dos polos complejos se acercan al eje imaginario: con K=50 el sobreimpulso ronda el 74\% y el asentamiento pasa de 20\ \text{s} (simulado: 20{,}8\ \text{s}); con K=69, pasa de 400\ \text{s} (simulado: 449\ \text{s}). Casi no hay amortiguamiento aunque en papel «sea estable».

Robustez: se erosiona. Cerca de K_{cr} el margen de estabilidad es mínimo (el margen de ganancia a K=50 es solo 70/50=1{,}4): una variación pequeña de la planta o un retardo no modelado lo desestabiliza. Además, más ganancia amplifica el ruido de medición.

Conclusión: la ganancia es un compromiso; se escoge dentro de la banda 50\le K<70 y en la práctica mucho más cerca de 50 que de 70, o se rediseña el controlador (compensación) si no alcanza.

4 Problema 2 · ganancia crítica con Routh (30 pts)

Realimentación unitaria negativa, G(s)=\dfrac{K(s+20)}{s(s+1)(s+6)}, K>0.

a Ecuación característica

Ruta Es 1+G(s)=0; multiplica por el denominador y expande.

b Tabla de Routh e intervalo de K

Ruta Aquí K está en dos coeficientes (6+K y 20K). No te asustes: es la misma receta, y la tercera fila queda en función de K.

c K_{cr}, polinomio auxiliar, frecuencia y qué pasa al cruzar

Ruta La frontera es donde un elemento de la primera columna se hace cero. Esa fila ya no sirve para contar signos, pero la fila de arriba da el polinomio auxiliar, cuyas raíces son los polos sobre el eje imaginario.

Míralo moverse. Mueve K a través de K_{cr}=3{,}23.

K1
Polos—
Parte real mayor—
¿Estable?—
Frecuencia de los polos complejos—

d Estabilidad frente a desempeño

Ruta Compara dos puntos dentro de la zona estable (K=0{,}1 contra K=3) y separa lo que Routh dice (sí/no estable) de lo que no dice (cómo es la respuesta).
Respuesta modelo

No son igualmente adecuados. Ambos son asintóticamente estables (todos los polos con parte real negativa), pero eso es lo único que garantiza Routh.

K\approx0{,}1: polos en -6{,}05 y -0{,}48\pm j0{,}32. Muy amortiguado (sobreimpulso \approx1\%), asentamiento \approx7\ \text{s}, pero lento: los polos dominantes están cerca del origen y el error de rampa es grande (K_v=K\cdot20/6 pequeño).

K\approx3: polos en -6{,}95 y -0{,}026\pm j2{,}94. El par complejo casi está sobre el eje imaginario: oscila con sobreimpulso \approx90\% y tarda \approx147\ \text{s} en asentarse (simulado). Estable en el papel, inaceptable en la práctica, y con margen de estabilidad casi nulo: cualquier error de modelo lo manda a K>K_{cr}.

Qué sí concluye Routh: el signo de la parte real de los polos (estable / marginal / inestable) y el intervalo de K. Qué no: rapidez, amortiguamiento, sobreimpulso ni cuán lejos del límite se está. Para eso hace falta ubicar los polos, simular la respuesta temporal o mirar márgenes (Bode, Nyquist).

5 Problema 3 · segundo orden y sensitividad (40 pts)

Realimentación unitaria negativa, G(s)=\dfrac{100}{s(s+8)}, referencia escalón unitario, modelo de planta exacto.

a Respuesta transitoria (5 sub-preguntas)

Ruta Lazo cerrado primero: T=100/(s^2+8s+100). Compárala con la forma estándar y saca todo de \omega_n y \zeta.
Pico—
\%PO—
t_p—
t_s (simulado, 2 %)—
Fórmula contra simulación

En el examen se pide estimar t_s: usa 4/(\zeta\omega_n)=1\ \text{s}. La simulación exacta da 0{,}84\ \text{s}; son aproximaciones distintas del mismo fenómeno y la diferencia es normal. Escribe siempre qué criterio usaste.

b Sensitividad (3 sub-preguntas)

Ruta Definición: S=\dfrac{\partial T/T}{\partial G/G}. Derivas T=G/(1+G) una vez, y el resto es evaluar límites.
|S| en \omega\to00
|S| en \omega\to\infty1
|S|=1 en7{,}07\ \text{rad/s}
Pico de |S|1{,}66 en 11{,}2\ \text{rad/s}

c Pregunta integradora: «más ganancia»

Ruta Igual que 1d: cuatro viñetas = cuatro párrafos. Primero mira qué hace subir la ganancia en este sistema con el simulador, luego argumenta.

Mueve el multiplicador de ganancia (1 = diseño actual, 100\to100\cdot m):

m1
\omega_n—
\zeta—
\%PO—
Error de rampa—
Respuesta modelo

Seguimiento y perturbaciones: mejoran. El error de rampa es 8/(100m) (baja con m) y una perturbación de baja frecuencia se atenúa por 1/(1+L), que se hace más pequeño.

Sensitividad: mejora a baja frecuencia (|S| pequeño), pero el rango donde |S|<1 solo crece moderadamente y el pico de |S| sube (más amplificación de incertidumbre cerca de la frecuencia de cruce).

Transitorio: empeora. \zeta=4/\omega_n=0{,}4/\sqrt m cae: para m=4, \zeta=0{,}2 y \%PO\approx53\%; la parte real \sigma=4 no cambia, así que el asentamiento tampoco mejora: solo la oscilación aumenta.

Ruido de medición: se amplifica. El ruido n llega a la salida por T=L/(1+L)\to1 hasta la frecuencia de cruce, y la señal de control u lo ve multiplicado por el aumento de ganancia: más desgaste del actuador y riesgo de saturación.

Conclusión: aumentar la ganancia no es siempre conveniente. Habría que evaluar además márgenes de ganancia y fase, ancho de banda, esfuerzo y saturación del actuador, retardos y dinámica no modelada, y buscar un compromiso (o agregar compensación derivativa/adelanto para recuperar amortiguamiento).

6 Todas las respuestas, para el repaso rápido

ParteRespuesta
1ae_{ss}=10/K\le0{,}2\Rightarrow K\ge50
1b.1\dfrac{Y}{R}=\dfrac{K}{s^3+7s^2+10s+K}, \dfrac{Y}{D}=\dfrac{s(s+2)(s+5)}{s^3+7s^2+10s+K}
1b.2y_{ss}=1+0=1, e_{ss}=0
1cEstable: 0<K<70; ambas: 50\le K<70
2as^3+7s^2+(6+K)s+20K=0
2bPrimera columna 1,\ 7,\ \tfrac{42-13K}{7},\ 20K; estable: 0<K<42/13
2cK_{cr}=42/13\approx3{,}23; auxiliar 7s^2+20K_{cr}=0; \omega=\sqrt{120/13}\approx3{,}04\ \text{rad/s}; para K>K_{cr} hay dos polos en el semiplano derecho
3a.1\omega_n=10\ \text{rad/s}, \zeta=0{,}4
3a.2\%PO\approx25{,}4\%, t_p\approx0{,}343\ \text{s}
3a.3t_s\approx4/(\zeta\omega_n)=1\ \text{s}
3a.4Subamortiguado (0<\zeta<1)
3a.5\zeta>0{,}591 (y \zeta<1 si no se quiere sobreamortiguar)
3bS=\dfrac{s(s+8)}{s^2+8s+100}; S(0)=0, S(\infty)=1

desliza la tabla →

7 Errores que cuestan puntos en este examen

Dar el error de rampa sin confirmar estabilidad

El 10/K solo vale si el lazo es estable. Si sacas K=80 del error, estás fuera de la zona de Routh y el error no existe. Por eso (c) cruza ambas condiciones.

Perder el signo de la perturbación o su entrada

Con D a la salida, Y/D=1/(1+L) (no G/(1+L), que es el caso de perturbación a la entrada de la planta). Dibuja dónde entra antes de escribir nada.

Routh: olvidar que el polinomio auxiliar sale de la fila de arriba

En 2c la fila que se anula es s^1; el polinomio auxiliar sale de la fila s^2: 7s^2+20K_{cr}. Usar la fila equivocada da una frecuencia absurda.

Sensitividad: llamarla S_T^G y calcular S_G^T

Lo que se demuestra es \dfrac{dT/T}{dG/G}=\dfrac{1}{1+G}. Si escribes dG/G arriba te sale lo inverso. Haz la demostración con la derivada explícita.

Discusión de una línea

«Subir K reduce el error pero afecta la estabilidad» vale poco. Gana puntos con números (K<70, \%PO sube, polo cerca del eje) y con los cuatro ejes del enunciado.

8 Ahora tú: tres variantes con otros números

9 Ponte a prueba: preguntas nuevas

Ocho preguntas con el mismo método y otros números.

10 Receta para el día del parcial

Mnemotecnia «Lazo cerrado primero. Estable antes de medir. Y en la discusión: precisión, estabilidad, transitorio, robustez.» Todo el examen sale de L/(1+L) y de revisar dónde están los polos.
  1. Escribe T=L/(1+L) y el polinomio característico 1+L=0 de cada problema.
  2. Error de rampa: tipo 1 → K_v=\lim sL, e=1/K_v; luego verifica estabilidad con Routh.
  3. Routh: tabla de filas s^n\ldots s^0; todos los de la primera columna con el mismo signo. Si una fila se anula, polinomio auxiliar de la fila de arriba.
  4. Segundo orden: compara con s^2+2\zeta\omega_ns+\omega_n^2; \%PO, t_p=\pi/\omega_d, t_s=4/(\zeta\omega_n).
  5. Sensitividad: S=1/(1+G); pequeña donde |G| es grande (bajas frecuencias), cerca de 1 donde |G| es pequeña.
  6. Discusiones: afirma, justifica con un número, y cierra con qué más habría que evaluar.
Si solo te llevas una frase

Más ganancia compra precisión y paga con amortiguamiento, margen de estabilidad y ruido — por eso existe un K_{cr}.

Responde las ocho preguntas nuevas para cerrar el taller.

Volver a los talleres de Control →

← Volver al panel