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Taller 21 · Control

Compensadores de adelanto y atraso

Adelanto: el cero va antes que el polo y regala fase, como un PD que no amplifica el ruido sin límite. Atraso: el polo va antes que el cero y sube la ganancia en frecuencias bajas, como un PI que no llega del todo a cero. Los dos son un cero y un polo; lo que cambia es el orden.

⏱ 70 minutos
De dónde sale esto. Dorf & Bishop, capítulo 10 (diseño de sistemas de control realimentados: compensadores de adelanto y atraso de fase, diseño con Bode). El ejemplo es el clásico K/(s(s+2)) con K_v=20. Verificado en verif/verif_control_p2.py.
En este taller

1 Para qué sirve esto y cuándo se usa

El programa del curso pone en la Unidad 3, junto al PID, los compensadores de adelanto y atraso. La pregunta típica: «diseñe un compensador para que K_v=20 y el margen de fase sea al menos 50°». Primero se cumple el error con la ganancia; después se arregla la fase con el compensador.

Ruta: «primero el error, después la fase»
  1. Con la especificación de error (K_v, K_{pos}) fija la ganancia K.
  2. Mide el MF con esa K. Si falta fase: adelanto. Si sobra fase pero falta precisión: atraso.
  3. Calcula \alpha (o \beta) y ubica cero y polo.
  4. Comprueba el MF y simula.

2 El simulador: mueve el cero y el polo

Planta G=\dfrac{40}{s(s+2)} (ya con la K que da K_v=20). El compensador está normalizado para valer 1 en DC, así que no cambia el K_v.

Prueba esto

1) «Adelanto del ejemplo»: el MF pasa de 18° a 49,7° y el sobreimpulso de 60 % a 23 %. 2) Pon z=8 y p=2 (atraso cerca del cruce): el MF se cae. 3) «Atraso»: casi no cambia el transitorio, pero el compensador vale 10 en DC.

3 La misma forma, dos usos

G_c(s)=K_c\,\frac{s+z}{s+p}
Qué significa cada símbolo
z,\ p
el cero está en s=-z y el polo en s=-p [rad/s]
K_c
ganancia del compensador; aquí K_c=p/z para que valga 1 en DC [sin unidades]
\alpha=z/p
razón del adelanto, menor que 1 [sin unidades]
\beta=z/p
razón del atraso, mayor que 1 [sin unidades]
Adelanto (z<p)Atraso (z>p)
Fasepositiva, máxima en \omega_m=\sqrt{zp}negativa (se pone lejos del cruce)
Qué arreglaMF, sobreimpulso, velocidaderror en estado estacionario
Dónde actúaen el cruceuna década antes del cruce
Su primoPD con filtro (p\to\infty)PI imperfecto (p\to0)
\sin\phi_m=\frac{1-\alpha}{1+\alpha},\qquad \omega_m=\sqrt{zp}
Mnemotecnia «Adelanto da fase, atraso da precisión.» Adelanto: cero primero, la fase sube. Atraso: polo primero, la ganancia de DC sube \beta veces. Se comprueba en el laboratorio: en «Atraso» el compensador vale 10 en DC y casi 1 en el cruce.

4 El diseño de adelanto, paso a paso

Planta G=\dfrac{K}{s(s+2)}. Pide K_v=20\ \text{s}^{-1} y MF\geq50^\circ.

G_c(s)=4{,}02\,\frac{s+4{,}41}{s+17{,}74}
El error de este paso: olvidar los 5° extra

El adelanto sube la magnitud y corre el cruce a la derecha, donde la planta tiene menos fase. Si pides exactamente 50-18=32^\circ, terminas con unos 45°, y no cumple. Por eso se suman de 5° a 12°.

5 El atraso: receta para el error

  1. Ajusta K para cumplir el MF sin compensar. Ahí K_v queda corto.
  2. \beta=\dfrac{K_v\ \text{pedido}}{K_v\ \text{actual}}.
  3. Cero una década antes del cruce: z=\omega_c/10; polo en p=z/\beta.

Así el compensador vale \beta en DC (multiplica K_v) y casi 1 en \omega_c (no toca el transitorio). El costo es una cola lenta: el par polo-cero queda cerca del origen.

Chequeo: el atraso no debe mover el cruce En el laboratorio, modo «Atraso» (z=0{,}6, p=0{,}06): \omega_c casi no cambia y el MF baja unos pocos grados. Si baja mucho más, el cero quedó demasiado cerca del cruce.
Lo que te llevas

Primero el error con K; después la fase con el adelanto, o la precisión con el atraso.

6 Ahora tú

7 Ponte a prueba

8 La receta para el día del parcial

  1. K desde el error: K_v=\lim sKG.
  2. MF sin compensar con esa K.
  3. \phi_m=MF_{\text{pedido}}-MF+5^\circ; \alpha=\dfrac{1-\sin\phi_m}{1+\sin\phi_m}.
  4. Nuevo cruce donde |G|=-10\log_{10}(1/\alpha) dB; z=\omega_m\sqrt\alpha, p=\omega_m/\sqrt\alpha, K_c=p/z.
  5. Comprueba el MF. Para el error sin tocar el transitorio: atraso con z=\omega_c/10, p=z/\beta.
Si solo te llevas dos frases

1. «Adelanto da fase, atraso da precisión.»

2. Primero el error, después la fase.

Responde las siete preguntas para cerrar el taller.

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