Tema 2.5: Análisis basado en el método del Lugar de las Raíces

Tema 2.5: Análisis basado en el método del Lugar de las Raíces 1. 2. 3. 4. Lugar de las Raíces Trazado de la gráfica Lugar de las raíces generalizado

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Tema 2.5: Análisis basado en el método del Lugar de las Raíces 1. 2. 3. 4.

Lugar de las Raíces Trazado de la gráfica Lugar de las raíces generalizado Diseño de controladores

1. El lugar de las raíces „

Objetivo: análisis del efecto de un parámetro en los polos del sistema en B.C para: … …

„ „ „

Analizar como varía el comportamiento del sistema (ej: estabilidad) Diseñar controladores en base a un parámetro conforme a unas especificaciones

Método del lugar de las raíces: (W. R. Evans, 1948) Ceros de GBC -> Ceros de GBA Polos de GBC -> Ceros de (1+GBA) R +

E -

K C(s) Controlador

U

G(s)

Y

Sistema

Depto. Ing. de Sistemas y Automática. Teoría del Control Automático. 3º Ing. Telec. ESI.US.

1. Lugar de las raíces Caracterización • Analíticamente: imposible para orden alto • Gráficamente: Curva parametrizada en K

„

Criterio del argumento

„

Criterio de módulo

Depto. Ing. de Sistemas y Automática. Teoría del Control Automático. 3º Ing. Telec. ESI.US.

1. Lugar de las raíces Caracterización R +

E -

K C(s) Controlador

U

G(s)

Y

Sistema

Los polos del sistema realimentado son:

x

K=1

x x -2

x

-1

K>1

x x

x

Lugar de las Raíces K=0 Depto. Ing. de Sistemas y Automática. Teoría del Control Automático. 3º Ing. Telec. ESI.US.

K ∞, las raíces son los ceros de GBA(s) (N(s)=0)

Depto. Ing. de Sistemas y Automática. Teoría del Control Automático. 3º Ing. Telec. ESI.US.

2. Trazado de la gráfica Paso 1: Ubicar polos y ceros de GBA(s) „ „

El LR parte de los polos de GBA(s) -> existen tantas ramas como polos en BA (n) El LR (ramas) tienden: m ramas tienden a los ceros GBA(s) (m ) … n-m ramas tienden al infinito de forma asintótica …

Root Locus

6

Imaginary Axis

4 2 0 -2

x → polo o → cero

-4 -6 -7

-6

-5

-4

-3

Depto. Ing. de Sistemas y Automática. Teoría del Control Automático. 3º Ing. Telec. ESI.US.

-2 -1 Real Axis

0

1

2

3

2. Trazado de la gráfica Paso 2: Determinar el LR sobre el eje real Root Locus

6

so ∈ LR si el Nº de ceros y polos reales a su derecha es impar (K>0)

Imaginary Axis

4

2

0

-2

-4

-6 -7

-6

-5

-4

-3

-2 -1 Real Axis

Depto. Ing. de Sistemas y Automática. Teoría del Control Automático. 3º Ing. Telec. ESI.US.

0

1

2

3

2. Trazado de la gráfica Paso 3: Cálculo de asíntotas n ramas

„

Cálculo del ángulo de las asíntotas: …

„

m ramas tienden a los ceros n-m ramas tienden asintóticamente al infinito

Se elige un punto de prueba s muy alejado del origen y se calcula el límite de G(s) cuando s→∞.

Intersección con eje real (centroide): …

Todas las asíntotas interceptan en el mismo punto al eje real.

Depto. Ing. de Sistemas y Automática. Teoría del Control Automático. 3º Ing. Telec. ESI.US.

2. Trazado de la gráfica Paso 3: Cálculo de asíntotas

Depto. Ing. de Sistemas y Automática. Teoría del Control Automático. 3º Ing. Telec. ESI.US.

2. Trazado de la gráfica Paso 3: Cálculo de asíntotas „

Ejemplo Root Locus

6

Imaginary Axis

4 2 0 -2 -4 -6 -7

-6

-5

-4

Depto. Ing. de Sistemas y Automática. Teoría del Control Automático. 3º Ing. Telec. ESI.US.

-3

-2 -1 Real Axis

0

1

2

3

2. Trazado de la gráfica Paso 4: Puntos de ruptura de entrada y salida al eje real hacia el plano complejo „

Los puntos de ruptura son polos DOBLES que: …

Anulan el denominador

…

Anulan la derivada del denominador

Depto. Ing. de Sistemas y Automática. Teoría del Control Automático. 3º Ing. Telec. ESI.US.

2. Trazado de la gráfica Paso 4: Puntos de ruptura de entrada y salida al eje real hacia el plano complejo „

Reglas: … … …

Si pertenece al LR un trozo de eje real, limitado por dos polos adyacentes, punto de ruptura de salida Si pertenece al LR un trozo de eje real, limitado por dos ceros adyacentes, punto de ruptura de entrada (incluido el -∞) Salida y entrada con 90º Root Locus 6

Punto de entrada Imaginary Axis

4 2 0 -2

Punto de salida

-4 -6 -7

-6

-5

-4

-3

-2 -1 Real Axis

0

1

2

3

Depto. Ing. de Sistemas y Automática. Teoría del Control Automático. 3º Ing. Telec. ESI.US.

2. Trazado de la gráfica Paso 4: Puntos de ruptura de entrada y salida al eje real hacia el plano complejo „

Ejemplo

Raíces

Root Locus

6 Imaginary Axis

4 2 0

-2 -4 -6 -7

-6

-5

-4

-3

Depto. Ing. de Sistemas y Automática. Teoría del Control Automático. 3º Ing. Telec. ESI.US.

-2 -1 0 Real Axis

1

2

3

2. Trazado de la gráfica Paso 5: Ángulo de salida (entrada) de polos (ceros) complejos • Se toma un punto de prueba en la cercanía del polo o cero conjugado y aplicar la condición del ángulo: ±180(2r+1)=suma de ceros –resta de polos

Ángulo salida de un polo

x x

o Ángulo entrada en un cero

x

Depto. Ing. de Sistemas y Automática. Teoría del Control Automático. 3º Ing. Telec. ESI.US.

2. Trazado de la gráfica Paso 5: Ángulo de salida (entrada) de polos (ceros) complejos „

Ejemplo Root Locus

6

Imaginary Axis

4

2

0

-2

-4

-6 -7

-6

-5

-4

-3

Depto. Ing. de Sistemas y Automática. Teoría del Control Automático. 3º Ing. Telec. ESI.US.

-2 -1 Real Axis

0

1

2

3

2. Trazado de la gráfica Paso 6: Calcular los puntos de corte con el eje imaginario

Método de Routh-Hurwitz

Factor par de orden 2

Depto. Ing. de Sistemas y Automática. Teoría del Control Automático. 3º Ing. Telec. ESI.US.

2. Trazado de la gráfica Paso 6: Calcular los puntos de corte con el eje imaginario „

Ejemplo Root Locus

6

Imaginary Axis

4

Factor par de orden 2

2 0 -2 -4

Ecuación subsidiaria -6 -7

-6

-5

-4

Depto. Ing. de Sistemas y Automática. Teoría del Control Automático. 3º Ing. Telec. ESI.US.

-3

-2 -1 Real Axis

0

1

2

3

2. Trazado de la gráfica Resultado Root Locus 6

4

Imaginary Axis

2

0

-2

-4

-6 -7

-6

-5

-4

-3

-2 Real Axis

-1

0

1

2

Depto. Ing. de Sistemas y Automática. Teoría del Control Automático. 3º Ing. Telec. ESI.US.

3

2. Trazado de la gráfica Ejemplo 2: LR y K/ δ=0.5 de un par de polos complejos conjugados en BC

1.

Representar polos y ceros y determinar ramas … …

2. 3.

s=0, s=-1, s=-2 n-m=3 (3 ramas terminan en infinito -> 3 asíntotas)

Lugar de las raíces sobre eje real Determinar asíntotas …

Ángulos

…

Corte con eje real (centroide)

Depto. Ing. de Sistemas y Automática. Teoría del Control Automático. 3º Ing. Telec. ESI.US.

2. Trazado de la gráfica Ejemplo 2: LR y K/ δ=0.5 de un par de polos complejos conjugados en BC 4.

Puntos de ruptura … …

5. 6.

Punto de ruptura de salida (2 polos adyacentes) Cálculo analítico

Ángulos de salida (entrada) de polos (ceros) complejos. No existen. Puntos de corte con eje imaginario (1) Routh-Hurwitz, (2) s=jw

Depto. Ing. de Sistemas y Automática. Teoría del Control Automático. 3º Ing. Telec. ESI.US.

2. Trazado de la gráfica Ejemplo 2: LR y K/ δ=0.5 de un par de polos complejos conjugados en BC SISTEMA SUBAMORTIGUADO

K→∞

Corte:

K=6 K=1.0383

K=1.0383

Valor de K?Cond. de módulo

s3

K→∞

El tercer polo se encuentra en s3=-2.3326 (resolver ec.característica)

Depto. Ing. de Sistemas y Automática. Teoría del Control Automático. 3º Ing. Telec. ESI.US.

2.1 Lugar de las raíces para K

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