Ess y el tipo del sistema
Cuando todo se calma, ¿cuánto le falta a la salida para llegar a la referencia? La respuesta la decide cuántos integradores tiene el lazo y qué tan grande es su ganancia. Una tabla de nueve casillas, de las que solo hay que calcular tres.
⏱ 60 minutos- E primeroE=\dfrac{R}{1+GH} sale de las ecuaciones del sumador y del bloque.
- Límitee_{ss}=\lim_{s\to0}sE(s); al final solo queda evaluar en s=0: e_{ss}=\dfrac{A}{1+G(0)H(0)} ante un escalón.
- EstableAntes del límite, Routh sobre \Delta(s). Ejemplo de clase: el vehículo de Marte pedía K=147 para el 2 %, pero solo es estable con K<32.
1 Para qué sirve esto y cuándo se usa
En el Parcial 1 de 2025 cayó en los dos puntos: «(d) ¿Cuál es el error en estado estacionario?» y «(a) Encuentre el error en estado estacionario ante una perturbación…». En el de 2025-I fueron tres preguntas de diez: error en posición, controlador para un error de posición del 20 % y controlador para un error de velocidad del 5 %.
El error en estado estacionario e_{ss} es la brecha que queda al final entre lo que pediste y lo que obtuviste. El transitorio del taller 7 es el camino; esto es el destino.
- ¿La realimentación es unitaria? Si no, primero el taller 6.
- ¿El lazo cerrado es estable? Si no lo es, no hay E_{ss} y se acabó.
- Cuenta las s del denominador de G(s)H(s): ese es el tipo.
- Mira la entrada. Tipo y entrada te dicen si el error es 0, \infty o un número; si es un número, calcula la constante (K_p, K_v o K_a).
Primero la estabilidad, después el tipo, después un número. En ese orden, siempre.
2 El simulador: agrega integradores y mira la brecha
El controlador trae 0, 1 o 2 integradores (cada uno con su cero en −0,5, como un PI) y la planta tiene tres polos. Escoge cuántos integradores, qué entrada y cuánta ganancia. La tabla de abajo se va llenando con cada combinación que pruebas.
La tabla, llenándose
- r,\ y
- la referencia (lo que pides) y la salida (lo que obtienes) [las de la salida]
- e
- el error, r-y: la brecha [las de la salida]
- u
- la señal de control: lo que el controlador le manda a la planta [las del actuador]
- C(s),\ G(s)
- el controlador y la planta [salida ÷ entrada de cada bloque]
- K
- la ganancia del controlador [las de u ÷ las de e]
- K_p,\ K_v,\ K_a
- las constantes de error de posición, velocidad y aceleración (sección 6) [sin unidades, 1/s y 1/s²]
Con la rampa, pasa de 0 a 1 integrador: la brecha deja de crecer y se queda fija. Pasa a 2: se cierra. Ahora sube K con 2 integradores: más allá de K \approx30 el lazo se vuelve inestable y ya no hay error que calcular. Cada integrador arregla una entrada pero le quita margen a la ganancia.
3 El error, escrito en Laplace
Con realimentación unitaria el error de seguimiento es la salida del sumador: E(s) = R(s) - Y(s). Como Y = L\,E, con L(s) = G(s)H(s) el lazo abierto:
- R(s),\ Y(s),\ E(s)
- la referencia, la salida y el error, vistos en Laplace [las de cada señal, por s]
- L(s)
- el lazo abierto, G(s)H(s): la vuelta completa [sin unidades]
- G,\ H
- el camino directo (controlador y planta) y el sensor [salida ÷ entrada de cada bloque]
- s
- la variable de Laplace; s\to 0 mira el final de la respuesta [1/s]
Qué significa: si L es enorme donde importa, el error es pequeño. Y lo que importa al final es s \to 0 (frecuencias bajas, tiempos largos). Un integrador hace L(0) = \infty; por eso los integradores matan el error.
Con un sensor H \ne 1 lo que sale del sumador es R - HY, no el error real R - Y, y toda la tabla de este taller deja de aplicar tal cual. Cómo se trata ese caso (E4.11 de Dorf: el sumador dice 0,3 y el error real es 0,7) está en el taller 6.
4 El teorema del valor final y su condición
No hace falta la respuesta completa en el tiempo para saber adónde llega:
- e_{ss}
- el error en estado estacionario: lo que queda cuando todo se calma (ss = steady state) [las de la salida]
- e(t)
- el error en el tiempo, r(t)-y(t) [las de la salida]
- E(s)
- el mismo error visto en Laplace [las de e, por s]
- t
- el tiempo [s]
Si la condición no se cumple, e(t) no tiene límite (crece u oscila) y la fórmula igual te devuelve un número que parece razonable y es mentira. Pregunta 5 de 2025-I: G_o = 9/(s^2+9), polos en \pm j3. Aplicado a ciegas, \lim_{s\to 0} s\cdot\tfrac{1}{s}\cdot\tfrac{9}{s^2+9} = 1. Pero la salida es y(t) = 1 - \cos 3t: oscila entre 0 y 2 para siempre. La respuesta correcta era «ninguna de las anteriores»: no hay valor final.
La línea punteada es lo que «da» el teorema aplicado sin revisar los polos. La curva nunca se queda ahí.
5 El tipo: cuántos integradores hay en el lazo
Escribe el lazo abierto con los factores a la vista:
- K
- la ganancia del lazo, con los factores escritos así [depende del tipo]
- z_1,\ z_2,\dots
- los ceros del lazo abierto están en s=-z_i [1/s]
- p_1,\ p_2,\dots
- los polos que no están en el origen: s=-p_i [1/s]
- N
- el tipo: cuántos integradores (polos en s=0) tiene el lazo [sin unidades, es un conteo]
1. Contar en T(s) en vez de en G(s)H(s). El lazo cerrado de la válvula, 50/(0{,}006s^2 + 0{,}0706s + 50), no tiene ninguna s suelta, y sin embargo el sistema es tipo 1.
2. No simplificar. En s\,(s+1)/[s^3(s+2)] hay tres eses abajo pero una arriba se cancela: quedan dos, tipo 2. Lo seguro es contar las raíces en cero de numerador y denominador después de simplificar.
6 Kp, Kv, Ka y la tabla de nueve casillas
Mete cada entrada de prueba en e_{ss} = \lim s\,R(s)/(1+L(s)):
| Escalón A/s | Rampa A/s^2 | Parábola A/s^3 | |
|---|---|---|---|
| Tipo 0 | \frac{A}{1+K_p} | \infty | \infty |
| Tipo 1 | 0 | \frac{A}{K_v} | \infty |
| Tipo 2 | 0 | 0 | \frac{A}{K_a} |
K_p = \lim_{s\to0} GH · K_v = \lim_{s\to0} s\,GH · K_a = \lim_{s\to0} s^2\,GH. Realimentación unitaria y lazo cerrado estable.
- A
- el tamaño de la entrada: altura del escalón, pendiente de la rampa o aceleración de la parábola A\,t^2/2 [las de la salida, ÷ s en la rampa y ÷ s² en la parábola]
- K_p
- constante de error de posición [sin unidades]
- K_v
- constante de error de velocidad [1/s]
- K_a
- constante de error de aceleración [1/s²]
- e_{ss}
- el error final que queda en cada casilla [las de la salida]
Cada integrador hace que el lazo reaccione más tarde (integra antes de actuar), y eso puede volverlo inestable. En el taller de diseño del curso (Design criteria 2) se probó C = 1/s^2 con G = 2{,}5/(0{,}9s+1) para tener error de velocidad cero. La ecuación característica queda 0{,}9s^3 + s^2 + 2{,}5 = 0: le falta el término en s, así que tiene raíces a la derecha (0{,}39 \pm j1{,}15) y el error de la simulación se disparó. Con C = (s^2+3s+1)/s^2 los ceros le devuelven la estabilidad y el error sí se va a cero. En el simulador pasa lo mismo: con 2 integradores, K \gt30{,}15 ya es inestable.
7 Cómo lo escriben en los parciales
La solución oficial de 2025-I no usa K_p ni K_v: trabaja directo con el lazo cerrado G_o(s) = T(s). Es lo mismo, dicho de otra forma.
Error de posición: e_p\% = |1 - T(0)|\cdot 100
Con realimentación unitaria, E/R = 1 - T. Con un escalón unitario, e_{ss} = \lim s\cdot\tfrac{1}{s}(1-T) = 1 - T(0). En porcentaje:
Error de velocidad: e_v = |T'(0)|
Con una rampa unitaria, e_{ss} = \lim_{s\to 0} (1 - T(s))/s. Si T(0) = 1 es un cociente 0/0 y, por L'Hôpital, vale -T'(0):
- T(s)
- la función de transferencia de lazo cerrado, Y/R (el parcial la llama G_o) [sin unidades]
- T(0)
- la ganancia DC: a qué fracción de la referencia llega la salida [sin unidades]
- e_p\%
- el error de posición (ante un escalón), en porcentaje de la referencia [%]
- T'(0)
- la derivada de T respecto a s, evaluada en cero [s]
- e_v
- el error de velocidad: la brecha final ante una rampa de pendiente 1 [las de la salida]
8 Problemas de parciales y del libro, resueltos
Parcial 1 de 2025-I
Esquema de todas las preguntas: r \to e \to C(s) \to u \to (+d) \to G(s) \to y, realimentación unitaria.
Dorf E4.4: el disco duro
Dorf E4.3: el recolector de fruta
Dorf P5.3: el láser que marca una línea
Dorf E4.8: tracción en las cuatro ruedas, respuesta a A/s
y(t)/A del E4.8. La cola lenta es el polo en −0,78; el polo en −19,2 se apaga en unas décimas de segundo.
9 Ahora tú
Tres ejercicios. Intenta cada uno antes de abrir la primera pista.
10 Ponte a prueba
11 La receta para el día del parcial
- ¿H = 1? Si no, lleva el diagrama a realimentación unitaria o usa el error real (taller 6).
- Escribe el denominador del lazo cerrado y revisa estabilidad (raíces o Routh). Inestable o marginal: no hay E_{ss}. Escríbelo así.
- Cuenta las eses del sótano de G(s)H(s), simplificado: ese es el tipo.
- Ubica la casilla: fila del tipo, columna de la entrada. Abajo de la diagonal 0, arriba \infty.
- En la diagonal: A/(1+K_p), A/K_v o A/K_a, con la constante evaluada en s \to 0.
- Si te piden diseñar (C para un error dado), despeja la constante y vuelve al paso 2 con el valor que salió.
- Si el enunciado habla de «e_p\%» o «e_v», usa |1 - T(0)| y |T'(0)|: dan lo mismo.
1. «Cuenta las eses del sótano.»
2. «Ceros abajo, infinitos arriba, el número en la diagonal.»
3. «Cada integrador te sube un escalón.»