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Taller 6 · Control

R, E, Y: quién es quién

El enunciado dice «el error» y tú tienes que saber cuál: lo que sale del sumador o la distancia real entre lo que pediste y lo que obtuviste. Con H=1 son la misma señal. Con H\ne 1, no, y ahí se pierde el punto.

⏱ 50 minutos
De dónde sale esto. Dorf & Bishop 10.ª ed., sección 4.1 (señal de error y señal actuante) y sección 5.8 (error en estado estacionario con realimentación no unitaria). Los ejercicios E4.11 y E4.12 van con la numeración de la lista de Mojica-Nava (edición en inglés); en tu libro en español son el E4.9 y el E4.10. Las preguntas 2 y 3 son del Parcial 1 de 2025-I. Todo se comprobó en Python (verif/v06.py).
🧑‍🏫 Así lo hace el profe
  1. E primeroEscribe E=R-HY y Y=GE y despeja: E=\dfrac{R}{1+GH}. Con H\ne1 esa E es la señal actuante, no R-Y.
  2. LímiteDespués e_{ss}=\lim_{s\to0}sE(s), revisando antes que el lazo sea estable.
Verlo con tus apuntes de clase (taller 15) →
En este taller

1 Para qué sirve esto y cuándo se usa

En un diagrama de lazo hay por lo menos cuatro señales con nombre y el enunciado te pide una sola. Si calculas la otra, la cuenta puede estar perfecta y el punto sale malo. Las que se confunden:

Y(s)La salida Lo que el sistema hace: el nivel, el ángulo, la profundidad. Dorf a veces la llama C(s).
E_a(s)Señal actuante Lo que sale del sumador: R - H\,Y. Es lo que ve el controlador. Es una señal del diagrama.
E(s)Error de seguimiento Lo que te falta para llegar: R - Y. Es el que se usa para e_{ss}. Puede no estar dibujado en ninguna parte.
U(s)Señal de control Lo que el controlador le manda a la planta: C\cdot E_a. Es lo que el actuador tiene que ser capaz de dar.
Ruta antes de la primera cuenta
  1. Subraya en el enunciado la señal que piden: ¿salida, lo que sale del sumador, el error de seguimiento o la señal de control?
  2. Mira H. Si es 1, E_a y E son la misma. Si no, son dos señales distintas.
  3. Escribe la función de transferencia de esa señal respecto a R: directo hasta esa señal, sobre uno más la vuelta completa.
  4. Revisa los polos y después sí: valor final (s \to 0) o valor inicial (s \to \infty).

2 El simulador: el mismo lazo con H = 1 y con H ≠ 1

La planta es G(s) = K/(s+2) y el sensor tiene ganancia h. Toca una flecha o un bloque (o los botones) y se ilumina con su explicación. Después cambia el interruptor a H \ne 1: aparece arriba, punteado, el comparador que no existe en el diagrama y que calcularía el error de verdad.

Sensor
K 8,0
h del sensor 2,00

Las señales en el tiempo (escalón unitario en R)

Celeste punteada: R. Verde: Y. Morada: lo que vuelve, H\,Y. Las cotas son las dos brechas finales.

Los dos «errores»

Oro continua: E_a=R-H\,Y (la que sale del sumador). Oro punteada: E=R-Y (el error de verdad).

Valores finales con estos números
Polo del lazo cerrado—
y_{ss}=K/(2+K\,h)—
E_{a,ss}=2/(2+K\,h) — lo que sale del sumador—
e_{ss}=1-y_{ss} — el error de verdad—
Brecha e_{ss}-E_{a,ss}—

Qué significa cada símbolo
K
la ganancia de la planta G(s)=K/(s+2) [las de Y ÷ las de E_a, por 1/s]
h
la ganancia del sensor: cuántas unidades entrega por cada unidad de salida (por ejemplo, V por metro) [las de R ÷ las de Y]
y_{ss}
el valor donde se asienta la salida (ss = estado estacionario) [las de la salida]
E_{a,ss}
el valor final de lo que sale del sumador, 1-h\,y_{ss} [las de R]
e_{ss}
el valor final del error de verdad, 1-y_{ss} [las de la salida]
s
la variable de Laplace; el polo es el valor de s que anula el denominador [1/s]

3 Tres señales, tres funciones de transferencia

Toda señal del lazo tiene su propia función de transferencia respecto a R, y todas comparten el mismo denominador 1 + GH (los polos son del lazo, no de la señal). Lo que cambia es el numerador: el camino directo de R hasta esa señal.

SeñalRespecto a RCamino directoCon H=1
Y\dfrac{G}{1+GH}pasa por G\dfrac{G}{1+G}
E_a=R-HY\dfrac{1}{1+GH}no pasa por nada\dfrac{1}{1+G}
E=R-Y\dfrac{1+GH-G}{1+GH}1-T, no es una flecha\dfrac{1}{1+G}
U=C\,E_a\dfrac{C}{1+CGH}pasa por C\dfrac{C}{1+CG}
Qué significa cada símbolo
R,\ Y
la referencia y la salida [las de cada señal]
E_a
la señal actuante: lo que sale del sumador [las de R]
E
el error de seguimiento, R-Y [las de la salida]
U
la señal de control: lo que el controlador le manda a la planta [las del actuador]
G,\ H,\ C
la planta, el sensor y el controlador [salida ÷ entrada de cada bloque]
T
la función de transferencia de lazo cerrado, Y/R [las de Y ÷ las de R]
GH
la vuelta completa (con controlador, CGH) [sin unidades]

La diferencia entre los dos errores sale restando:

\frac{E}{R} - \frac{E_a}{R} = \frac{G\,(H - 1)}{1 + GH} se anula solo si H=1

desliza el diagrama →

Izquierda: el sumador compara R con Y. Derecha: el sumador compara R con H\,Y, y el error de verdad hay que calcularlo aparte.

Mnemotecnia «El sumador no siempre te dice el error.» Con H = 1, sí: lo que sale del sumador es R - Y. Con H \ne 1, lo que sale es R - HY, que es otra cosa. Se verifica en el simulador: con K = 8 y h = 2, el sumador termina en 0{,}11 y el error de verdad en 0{,}56. El controlador cree que va casi perfecto y la salida está a la mitad del camino.
El error de este paso: usar 1/(1+GH) para e_{ss}

Es la fórmula de E_a, no la de E. En el E4.11 con K = 10 eso da 0{,}3, cuando el error de seguimiento de verdad es 0{,}7: más del doble. La fórmula del error real es 1 - T, siempre.

Chequeo: las tres cuentas cuadran entre sí Con los valores finales del simulador (K = 8, h = 2): y_{ss} = 0{,}444, E_{a,ss} = 1 - 2(0{,}444) = 0{,}111 y e_{ss} = 1 - 0{,}444 = 0{,}556. Si tu E_a no es R - h\,y con tu propia y, algo está mal.

4 La señal de control y el valor inicial

A veces lo que preguntan no es a dónde llega la salida sino cuánto le toca dar al actuador: la señal de control u. En el Parcial 1 de 2025-I el esquema era este, con realimentación unitaria:

Esquema del Parcial 1 de 2025-I: G = 1/(s+3), C = 5.

El valor final se saca con s \to 0. El valor en el primer instante, con el teorema del valor inicial, que es el espejo:

u(0^+) = \lim_{t\to 0^+} u(t) = \lim_{s\to\infty} s\,U(s) vale si el límite existe; con un escalón, s\cdot\frac1s se cancela y queda \lim_{s\to\infty}G_{ur}(s)
Qué significa cada símbolo
u(t)
la señal de control en el tiempo [las del actuador]
U(s)
la misma señal vista en Laplace [las de u, por s]
u(0^+)
el valor de u justo después de que entra el escalón [las de u]
s
la variable de Laplace; s\to\infty mira el arranque y s\to 0 mira el final [1/s]
G_{ur}(s)
la función de transferencia de la referencia a la señal de control, U/R [las de u ÷ las de r]
Mnemotecnia «El final se mira en s=0; el arranque, en s=\infty.» Se verifica con una fracción cualquiera: 5(s+3)/(s+8) vale 15/8 en s = 0 y tiende a 5 cuando s crece. La simulación de u(t) arranca en 5 y termina en 1,875.
Chequeo sin transformada En t = 0^+ la planta todavía no se ha movido: y = 0. Entonces e = r - y = 1 y u = C\cdot e = 5. El valor inicial de u es la ganancia del controlador por el escalón, siempre que la planta no tenga un camino directo instantáneo (grado del numerador menor que el del denominador).

5 Llevar H ≠ 1 a realimentación unitaria

La tabla de K_p, K_v, K_a y del tipo de sistema (está completa en el taller 8) solo vale cuando la realimentación es unitaria, porque está construida sobre E = R/(1+G). Con H \ne 1 hay que dibujar primero un sistema equivalente que tenga la misma T(s) pero realimentación unitaria (Dorf 5.8).

Qué significa cada símbolo
G_{eq}
el camino directo del sistema equivalente con realimentación unitaria [las de Y ÷ las de R]
T
la función de transferencia de lazo cerrado del sistema original; el equivalente tiene la misma [las de Y ÷ las de R]
G,\ H
la planta y el sensor del sistema original [salida ÷ entrada de cada bloque]
K_p
la constante de error de posición: G_{eq}(0) [sin unidades]
e_{ss}
el error de seguimiento final ante un escalón unitario, 1/(1+K_p) [las de la salida]

desliza el diagrama →

Las dos cajas tienen la misma T(s). En la de la derecha, lo que sale del sumador sí es el error de verdad.

El error de este paso: calcular el tipo con G\,H

Con H \ne 1, el tipo que decide el error de seguimiento es el de G_{eq}, no el de GH. En el E4.11, GH(0) = 7/3 daría (con la tabla mal usada) 1/(1 + 7/3) = 0{,}3; con G_{eq}, K_p = 3/7 y e_{ss} = 1/(1 + 3/7) = 0{,}7, que es lo que da la simulación. Y no te asustes si G_{eq} tiene polos raros (en el E4.11 tiene dos con parte real positiva): lo que tiene que ser estable es el lazo cerrado.

Lo que te llevas

G_{eq} = \dfrac{G}{1 + GH - G}, o más fácil: G_{eq} = T/(1-T). Con eso la tabla del taller 8 vuelve a servir.

6 El ruido del sensor: seguir R contra rechazar N

El sensor no mide perfecto: a lo que mide se le suma un ruido N(s). Ese ruido entra en el camino de vuelta, justo donde entra Y, así que el lazo no lo puede distinguir de la salida.

desliza el diagrama →

Figura E4.10 de la 10.ª ed. en español (E4.12 en inglés). N entra con + antes del sensor H.

\frac{Y}{N} = \frac{-\,G_cGH}{1 + G_cGH} directo de N a Y: pasa por H, entra con − al sumador, y sigue por G_c y G
Qué significa cada símbolo
N
el ruido que se le suma a la medida [las de la salida]
Y
la salida [las de la salida]
G_c
el controlador [las del actuador ÷ las de E_a]
G
la planta [las de Y ÷ las del actuador]
H
el sensor [las de R ÷ las de Y]
L=G_cGH
la vuelta completa (ganancia de lazo) [sin unidades]

Compáralo con la perturbación del taller 9: subir la ganancia aplasta una perturbación que entra en la planta, pero con el ruido del sensor hace lo contrario. Si G_cGH es grande, Y/N \to -1: el ruido pasa entero a la salida.

Ganancia de lazoSeguir RProtegerse de cambios en GRuido del sensor
GrandeBienBien: S=1/(1+GH) pequeñaMal: pasa casi entero
PequeñaSolo si se calibraMal: S casi 1Bien: casi no pasa
El error de este paso: tratar el ruido como una perturbación más

La receta «sube la ganancia» es para perturbaciones que entran en el camino directo. Con el E4.12, si subes a K_1 = 50 y K_2 = 4{,}9 (que sigue dando T(0) = 1), un escalón de ruido mueve la salida -0{,}98: casi todo. Con K_2 = 0{,}5 y K_1 = 10/9, solo -0{,}1.

7 Problemas del libro y del parcial, resueltos

E4.11 · realimentación no unitaria (E4.9 en tu libro)

Enunciado

G(s) = \dfrac{K}{s+10} en el camino directo, H(s) = \dfrac{14}{s^2+5s+6} en la realimentación (entra con −), y una perturbación T_d(s) que se suma a la salida. El error de seguimiento es E = R - Y. (a) T(s). (b) e_{ss} ante un escalón unitario. (c) Y/T_d y su efecto final ante un escalón unitario. (d) S_K^T. Usa K = 10 para los números.

Figura E4.9 de la 10.ª ed. en español.

Parcial 1 2025-I · preguntas 2 y 3

Enunciado

El esquema de la sección 4, con G = 1/(s+3) y C = 5. (2) ¿Cuál es la función de transferencia G_{yd} de la perturbación a la salida? (3) Con r escalón unitario y d = 0, ¿cuánto vale u(0^+)?

E4.12 · ruido en la medida (E4.10 en tu libro)

Enunciado

En el diagrama de la sección 6, G(s) = \dfrac{100}{s+100}, G_c(s) = K_1, H(s) = \dfrac{K_2}{s+5}. (a) T(s) y el error de seguimiento final con R = 1/s, N = 0. (b) Y/N y el error final con N = 1/s, R = 0 (la salida deseada es cero). (c) ¿Cómo escoger K_1 y K_2 para seguir la entrada y a la vez rechazar el ruido?

8 Ahora tú

9 Ponte a prueba

10 La receta para el día del parcial

  1. Subraya qué señal piden: Y, lo que sale del sumador (E_a), el error de seguimiento (E = R - Y) o la de control (U).
  2. Mira H. Si H = 1, E_a = E = R/(1+G). Si no, son distintas.
  3. Función de transferencia de la señal pedida: el directo hasta esa señal, sobre 1 + GH.
  4. Error de verdad: E/R = 1 - T. Nunca 1/(1+GH) si H \ne 1.
  5. ¿Vas a usar la tabla de K_p, K_v, K_a? Primero G_{eq} = T/(1-T).
  6. Polos antes de cualquier límite. Valor final: s \to 0. Valor inicial: s \to \infty.
  7. Chequea: E_a = R - h\,y y e = r - y con tus propios números; u(0^+) = C\cdot r(0^+) si la planta no pasa nada instantáneo.
  8. Ruido en el sensor: Y/N = -L/(1+L); ganancia grande lo deja pasar.
Si solo te llevas dos frases

1. «El sumador no siempre te dice el error»: con H=1 sí; con H\ne 1 lo que sale es R-HY.

2. «El final se mira en s=0; el arranque, en s=\infty.»

Responde las ocho preguntas para cerrar el taller.

Siguiente: respuesta transitoria →

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