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Taller 25 · Control

Los métodos del profe: síntesis directa, Padé e IMC

Los talleres 18 y 19 sintonizan con polos y con tablas. En clase el profe fue más allá: le dices al lazo cómo quieres que responda y despejas el controlador. Si la planta tiene retardo, lo vuelves fracción con Padé. Si tiene un cero malo, lo dejas en paz. Este taller recorre esos métodos con los mismos ejemplos de los apuntes.

⏱ 80 minutos
De dónde sale esto. Apuntes del segundo parcial (clase de Control II, 2026-2): síntesis directa, Padé, IMC, Ziegler-Nichols, ensayo y error, Cohen-Coon, Lambda y anti-windup. Seborg, Edgar y Mellichamp, Process Dynamics and Control, cap. 12 (síntesis directa e IMC); Cohen y Coon (1953). Cada número de este taller está verificado con python-control y sympy en verif/verif_control_p2_profe.py.
Tres cosas de los apuntes que conviene revisar

Al verificar los ejemplos encontramos tres detalles que no cuadran. No los copiamos: los explicamos donde aparecen (secciones 4, 6 y 7). Pregúntale al profe si en el parcial quiere su versión. Las tres son de transcripción, no de método.

En este taller

1 Para qué sirve esto y cuándo se usa

Hay dos familias de métodos. Las tablas (Ziegler-Nichols, Cohen-Coon, Lambda) solo piden dos o tres números medidos. Los métodos por modelo (síntesis directa, IMC) piden G(s), pero a cambio tú escoges la respuesta exacta del lazo.

Ruta: «pide la respuesta, despeja el controlador»
  1. Escribe la respuesta que quieres en lazo cerrado: T_d(s)=\dfrac{1}{\alpha s+1} (o la de segundo orden).
  2. Si G tiene retardo, cámbialo por Padé. Si tiene ceros en el semiplano derecho, ponlos también en T_d.
  3. Despeja: C=\dfrac{T_d}{G\,(1-T_d)}.
  4. Revisa que C sea realizable (no más ceros que polos) y escríbelo como PID.
  5. Escoge \alpha (o \tau_c) con la especificación y simula con la planta real.
Si tienes…UsaTaller
G(s) sin retardo y una especificaciónsíntesis directa o polos25 · 18
G(s) con retardo o cero maloPadé + síntesis directa, o IMC25
solo la curva de reacciónZN, Cohen-Coon, Lambda19 · 25
G(s) sin retardo, sin especificaciónRouth → K_{cr} → ZN19 · 25
la planta y nada de modeloensayo y error25

2 El simulador: tú pides la respuesta, el método despeja el PID

Escoge la planta y mueve la perilla. La curva gris punteada es lo que pediste (T_d); la verde es lo que sale al simular con la planta real (con su retardo de verdad, no con Padé). Debajo ves las ganancias que despejó el método.

Prueba esto

1) Motor: con \alpha=0{,}25 el lazo llega en un segundo, como pide el ejemplo de clase. Baja \alpha a 0,1: más rápido, pero K_p crece como 1/\alpha. 2) Retardo con Padé: con \alpha=2 no hay sobreimpulso; con \alpha=0{,}5 la planta real (retardo verdadero) se pasa. Padé es una aproximación y se nota cuando pides mucho. 3) Fíjate en la caída inicial en las plantas con retardo: es la fase no mínima que pusiste en T_d a propósito.

3 Síntesis directa: la idea en una línea

El lazo cerrado con realimentación unitaria es T=\dfrac{CG}{1+CG}. Si sabes qué T quieres, despejas C:

\begin{gathered}T_d=\frac{CG}{1+CG}\;\Longrightarrow\;T_d+T_dCG=CG\\ \Longrightarrow\;C=\frac{1}{G}\cdot\frac{T_d}{1-T_d}\end{gathered}
Qué significa cada símbolo
T_d(s)
la función de transferencia en lazo cerrado que tú pides (la «d» es de deseada)
\alpha
la constante de tiempo que pides en lazo cerrado; con T_d=1/(\alpha s+1) el tiempo de establecimiento (2 %) es 4\alpha [s]
\beta
el cero de fase no mínima que copias de la planta en T_d [s]

Con T_d=\dfrac{1}{\alpha s+1} el término \dfrac{T_d}{1-T_d} es \dfrac{1}{\alpha s}: un integrador. Por eso el método casi siempre da un PI o un PID.

C=\frac{1}{G}\cdot\frac{1}{\alpha s}
Mnemotecnia «Invierte la planta y ponle un integrador.» El 1/G cancela la planta y el 1/(\alpha s) deja un lazo abierto CG=1/(\alpha s): un integrador puro, que en lazo cerrado da justo 1/(\alpha s+1).

Los ejemplos de clase

PlantaC=\dfrac{1}{G\,\alpha s}Forma
\dfrac{K}{(\tau_1s+1)(\tau_2s+1)}\dfrac{\tau_1+\tau_2}{K\alpha}+\dfrac{1}{K\alpha s}+\dfrac{\tau_1\tau_2}{K\alpha}sPID
\dfrac{10}{s(s+1)}, t_s\le1\alpha=\tfrac14\Rightarrow C=\tfrac25 s+\tfrac25PD
\dfrac{1}{(s+1)(0{,}5s+1)(0{,}25s+1)}\dfrac{s^2}{8\alpha}+\dfrac{7s}{8\alpha}+\dfrac{1{,}75}{\alpha}+\dfrac{1}{\alpha s}¡tiene s^2!
El grado relativo manda

En la tercera planta C tiene un término en s^2: más ceros que polos, no se puede construir. Pasa siempre que T_d tiene menos grado relativo que G. La solución de clase: pedir T_d de segundo orden, T_d=\dfrac{1}{(\alpha_2 s+1)(\alpha_3 s+1)}, que sube el grado relativo de T_d y le quita una s a C. Regla: grado relativo de T_d ≥ grado relativo de G.

4 Fase no mínima: el cero que no se puede cancelar

Un cero en el semiplano derecho (como el s-1 de G=\dfrac{s-1}{s(s+1)}) hace que la salida arranque al revés antes de ir a donde debe. Si haces síntesis directa con T_d=1/(\alpha s+1), el 1/G pone ese cero como polo del controlador:

\begin{gathered}C=\frac{s(s+1)}{s-1}\cdot\frac{1}{\alpha s}\\ \Rightarrow\ \text{polo en }s=+1\\ \text{controlador inestable}\end{gathered}

La cancelación \dfrac{s-1}{s-1} solo existe en el papel. Cualquier error mínimo en el modelo deja ese polo inestable vivo dentro del lazo. Eso es lo que en clase se llamó «no realizable».

La solución de clase: el cero malo va en T_d

Si la planta no puede evitar arrancar al revés, el lazo tampoco. Así que lo pides:

T_d=\frac{1-\beta s}{\alpha s+1}\quad\text{o}\quad T_d=\frac{1-\beta s}{(\alpha s+1)^2}

con \beta igual al de la planta. Ahora 1/G y T_d tienen el mismo 1-\beta s y se cancelan en la fórmula, no en el lazo.

Chequeo con el ejemplo G=\dfrac{s-1}{s(s+1)}, \beta=1 C=\dfrac{T_d}{G(1-T_d)}=-\dfrac{s+1}{\alpha+1}: un PD con ganancia negativa (la planta tiene ganancia negativa porque s-1=-(1-s)). Lazo cerrado: \dfrac{1-s}{\alpha s+1}, justo lo pedido. Si te sale un C con polo en +1, no metiste el cero en T_d.

5 Padé: el retardo convertido en fracción

La síntesis directa necesita 1/G, y 1/e^{-\theta s}=e^{\theta s} es un adelanto: ver el futuro. Imposible. Padé cambia el retardo por una fracción que se le parece:

e^{-\theta s}\approx\frac{1-\frac{\theta}{2}s}{1+\frac{\theta}{2}s}

Tiene un cero en s=+2/\theta: Padé convierte el retardo en fase no mínima. Por eso el método de la sección 4 es el que se usa con retardos.

El ejemplo de clase, con la fórmula correcta

Enunciado

G=\dfrac{5e^{-2s}}{s+1}. Con Padé (\theta=2): G\approx\dfrac{5(1-s)}{(s+1)^2}, así que \beta=1. Diseña con T_d=\dfrac{1-s}{\alpha s+1}.

Lo que dicen los apuntes (y por qué está tachado)

En los apuntes aparece primero C=\dfrac{1}{G}\,T_d=\dfrac15\dfrac{(s+1)^2}{\alpha s+1}, con la nota al margen «no sirve porque no conserva grado relativo» y luego «hubiera usado C=\dfrac{T_d}{G(1-T_d)}». Exacto: \tfrac{1}{G}T_d olvida el 1-T_d y deja dos ceros contra un polo. Con la fórmula completa sale un PID ideal, sin s^2.

6 IMC: control por modelo interno

IMC es la síntesis directa vista de otra forma. El controlador lleva dentro una copia del modelo \tilde G y solo reacciona a la diferencia entre la planta real y el modelo. Tres pasos:

Ruta IMC
  1. Descompón el modelo: \tilde G=\tilde G_+\,\tilde G_-. En \tilde G_+ va lo que no se puede invertir (retardo, ceros en el semiplano derecho), con ganancia 1. En \tilde G_-, el resto.
  2. Invierte solo la parte buena y filtra: G_q=\dfrac{F}{\tilde G_-}, con F=\dfrac{1}{(\tau_c s+1)^r} y r suficiente para que G_q sea propia.
  3. Pasa a lazo clásico: G_c=\dfrac{G_q}{1-G_q\tilde G}. A veces sale un PID exacto; otras, un PID con filtro.
Qué significa cada símbolo
\tilde G
el modelo de la planta (la tilde dice «lo que creo que es la planta»)
\tau_c
la constante de tiempo del filtro: la perilla de velocidad, como \alpha [s]
r
el orden del filtro: el mínimo para que G_q no tenga más ceros que polos
Para escoger \tau_c (apuntes)Qué significa
\tau_c/\theta\gt 0{,}8 y \tau_c\gt 0{,}1\tauno pedir más rápido que el retardo
\tau\gt\tau_c\gt\thetaentre el retardo y la planta
\tau_c=\thetala elección de los ejemplos

Variantes del filtro de los apuntes: \dfrac{r\tau_c s+1}{(\tau_c s+1)^r} cuando la referencia es una rampa, y \dfrac{\gamma s+1}{(\tau_c s+1)^r} para rechazar mejor perturbaciones.

Ejemplo 1 · \tilde G=\dfrac{1}{s+1}, \tau_c=0{,}2

Ejemplo 2 · \tilde G=\dfrac{e^{-2s}}{4s+1} con Padé, \tau_c=\theta=2

Revisa el signo en tus apuntes

En los apuntes el denominador quedó 2s^2+4s+1-1-s y luego s^2+3s, y al final se soltó el factor \tfrac{1}{s+3} para dar G_c=2s+\tfrac52+\tfrac{1}{2s}. Pero -(1-s)=-1+s: el denominador es 2s^2+4s=2s(s+2). El resultado correcto es un PID con filtro, con ganancias que son la mitad de las de los apuntes. Simulado con el retardo real, el correcto no se pasa (t_s\approx10{,}5\ \text{s}).

7 Las tablas del profe: Ziegler-Nichols, ensayo y error, Cohen-Coon

Cuando no hay modelo o no hay tiempo, tablas. Este simulador compara las del profe en los dos ejemplos de clase.

Ziegler-Nichols en lazo cerrado (tabla de clase)

K_c\tau_I\tau_D
PK_{cr}/2——
PIK_{cr}/2{,}2P_{cr}/1{,}2—
PIDK_{cr}/1{,}7P_{cr}/2P_{cr}/8
El \tau_I del PI

En los apuntes la fila PI dice \tau_I=P_{cr}. La tabla original de Ziegler y Nichols (y Dorf, y el Taller 19) dice P_{cr}/1{,}2. La diferencia en la respuesta es pequeña (65 % contra 71 % de sobreimpulso en el ejemplo), pero si te lo preguntan de memoria, confirma con el profe cuál usa. K_{cr}/2{,}2=0{,}45K_{cr} y K_{cr}/1{,}7\approx0{,}59K_{cr} son las mismas constantes de siempre escritas como división.

Ejemplo de clase

G=\dfrac{1}{(s+1)(0{,}5s+1)(0{,}2s+1)}. Encuentra K_{cr}, P_{cr} y el PI.

Cuándo ZN en lazo cerrado no se puede usar

El contraejemplo de clase: G=\dfrac{10}{s^2+2s+10}. La ecuación característica s^2+2s+10+10K=0 tiene todos los coeficientes positivos para cualquier K\gt 0: nunca oscila sostenido. No hay K_{cr}. Pasa con toda planta de orden 1 o 2 sin retardo. Ahí usas otro método.

Ensayo prueba y error (en la planta, sin modelo)

Ruta de clase
  1. Arranca con K_c pequeño, \tau_D pequeño y \tau_I grande (casi un P puro).
  2. Duplica K_c hasta que oscile sostenido: ese es K_{cu}. Deja K_c=K_{cu}/2.
  3. Divide \tau_I entre 2 hasta que vuelva a oscilar: \tau_I^*. Deja \tau_I=2\tau_I^*.
  4. Sube \tau_D hasta que oscile: \tau_D^*. Deja \tau_D=\tau_D^*/3.
Mnemotecnia «Lleva cada perilla al borde y devuélvete.» Los factores \tfrac12, 2 y \tfrac13 son márgenes de seguridad: dejas cada perilla lejos de donde el lazo empieza a oscilar.

Curva de reacción: ZN y Cohen-Coon

Con la curva medida (K, \theta retardo, \tau constante de tiempo; en el Taller 19 se llaman K, L, T):

K_c\tau_I\tau_D
ZN PI\dfrac{0{,}9\,\tau}{K\theta}3{,}33\,\theta—
ZN PID\dfrac{1{,}2\,\tau}{K\theta}2\theta0{,}5\theta
Cohen-Coon PID\dfrac{\tau}{K\theta}\left(\dfrac43+\dfrac{\theta}{4\tau}\right)\theta\,\dfrac{32+6\theta/\tau}{13+8\theta/\tau}\dfrac{4\theta}{11+2\theta/\tau}
Lambda PI\dfrac{\tau}{K(\lambda+\theta)}\tau—
El \tau_I de Cohen-Coon

En los apuntes quedó \tau_I=\theta(32+6\theta/\tau), sin denominador. Así, con \theta=0{,}25 daría \tau_I=8{,}4\ \text{s}: un integral casi muerto. La fórmula de Cohen y Coon lleva el /(13+8\theta/\tau), y da 0{,}558\ \text{s}.

8 Anti-windup: cuánto vale Tt

Cuando el actuador se satura, el integral sigue sumando error y luego hay que «descargarlo»: el sobreimpulso enorme del Taller 23. El esquema de clase es el back-calculation o tracking: la diferencia entre lo que pidió el controlador y lo que salió del actuador se devuelve al integrador.

\begin{gathered}U_I=\frac{1}{s}\left(K_iE+\frac{1}{T_t}\,E_{sat}\right)\\ E_{sat}=u_{sat}-u_c\end{gathered}
ControladorT_t (apuntes)
PIT_t=\tau_I
PIDT_t=\sqrt{\tau_I\,\tau_D}

T_t pequeño descarga rápido, pero si es demasiado pequeño el ruido o un pico de error sacan al integrador de su sitio. Es un compromiso, y el Taller 23 lo mueve con un deslizador.

9 Problemas resueltos

Síntesis directa con Padé: el ejercicio de los apuntes

Enunciado

G=\dfrac{2e^{-2s}}{5s+1}. Usa T_d=\dfrac{1-\beta s}{\alpha s+1} y verifica que el controlador conserva el grado relativo.

Síntesis directa para el motor

Enunciado

G=\dfrac{10}{s(s+1)}. Diseña para t_s\le1\ \text{s} con T_d=\dfrac{1}{\alpha s+1}.

10 Ahora tú

11 Ponte a prueba

12 La receta para el día del parcial

  1. ¿Retardo? Padé: e^{-\theta s}\approx\dfrac{1-\frac{\theta}{2}s}{1+\frac{\theta}{2}s}. Ahora tienes un cero malo con \beta=\theta/2.
  2. ¿Cero malo? Va en T_d: T_d=\dfrac{1-\beta s}{\alpha s+1}. Nunca lo canceles.
  3. Despeja con la fórmula completa: C=\dfrac{T_d}{G(1-T_d)}. No con T_d/G.
  4. Revisa el grado relativo: si C tiene s^2 suelto, pide T_d de segundo orden.
  5. Escribe C como PID: K_p es el coeficiente de s^0, K_i el de 1/s y K_d el de s.
  6. \alpha o \tau_c: con t_s=4\alpha, o \tau_c=\theta si hay retardo.
  7. Si te piden ZN en lazo cerrado: primero confirma con Routh que existe K_{cr}.
Si solo te llevas dos frases

1. «Pide la respuesta, despeja el controlador.»

2. «El cero malo no se cancela: se pide.»

Responde las ocho preguntas para cerrar el taller.

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