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En el análisis y diseño de sistemas de control
debemos tener una base de comparación del
desempeño de diversos sistemas de control
El uso de señales de prueba
se justifica porque existe una correlación entre las características de respuesta de un sistema para una señal de entrada de prueba común y la capacidad del sistema de manejar las señales de entrada reales.
Señales de prueba típicas.
señales de prueba que se usan son funciones
escalón, rampa, parábola, impulso, senoidales Con estas, es posible realizar análisis matemáticos y experimentales de sistemas de control, dado que las señales son funciones del tiempo muy simples.
La forma de la entrada a la que el sistema estará sujeto con mayor frecuencia bajo una operación
normal
determina cuál de las señales de entrada típicas se debe usar para analizar las
características del sistema.
Si las entradas para un sistema de control son funciones del tiempo
que cambian en forma gradual
una función rampa sería una buena señal de prueba
si un sistema está sujeto a perturbaciones repentinas
una función escalón sería una buena señal de
prueba
para un sistema sujeto a entradas de choque
una función impulso sería la mejor
La respuesta en el tiempo de un sistema de
control consta de dos partes
la respuesta transitoria y la respuesta en estado estable.
respuesta transitoria
nos referimos a la que va del estado inicial al estado final.
Por respuesta en estado estable
nos referimos a la manera en la cual se comporta la salida del sistema conforme t tiende a infinito.
estabilidad absoluta
La característica más importante del comportamiento dinámico de un sistema de control si el sistema es estable o inestable
Un sistema de control está en equilibrio si
en ausencia de cualquier perturbación o entrada, la salida
permanece en el mismo estado.
error en estado estable.
Si la salida de un sistema en estado estable no coincide exactamente con la entrada, se
dice que el sistema tiene un
sistema de primer orden
este sistema representa un circuito RC La figura presenta un diagrama de bloques simplificado. La relación entrada-salida se obtiene mediante:
_cs_=__1__
rs Ts+1
Respuesta escalón unitario de sistemas de primer orden
Dado que la transformada de Laplace
de la función escalón unitario es l/s, sustituyendo R(s) = 1/s obtenemos:
c(s)=_1_+ _1_
Ts 1s
una estimación razonable del tiempo de respuesta
es la longitud de tiempo que necesita la curva de respuesta para alcanzar la línea de 2% del valor final,
o cuatro constantes de tiempo.
Respuesta rampa unitaria de sistemas de primer orden
Dado que la transformada de Laplace de
la función rampa unitaria es 1/s2, obtenemos la salida del sistema como:
C(S)=_1___ ._1_
TS+1 S2
error rampa unitaria de sistemas de primer orden
El error después de la entrada rampa unitaria es igual a T para una t suficientemente grande. Entre más pequeña es la constante de tiempo T, más pequeño es el error en estado estable después de la entrada rampa.
Respuesta impulso unitario de sistemas de primer orden.
Para la entrada impulso unitario, R(s) =
1 y la salida del sistema es:
c(s)=__1__
TS+1
La función de transferencia de un sistema de segundo orden se expresa como
_C(S)_= _____ωn²____
R(S s²+ 2ξωnS+ ωn²
(ξ>0)
semiplano izquierdo del plano s, amortiguamiento positivo. causa la respuesta escalón unitario establezca un valor final constante en el estado estable debido al exponente negativo (-ξwnt).
sistema es estable.
(ξ<0)
semiplano derecho del plano s, amortiguamiento negativo. El amortiguamiento negativo da una respuesta que crece en magnitud sin límite de tiempo, el sistema es inestable.
(ξ=0)
El eje imaginario. Este resulta en
una amortiguación sostenida, y el sistema es
marginalmente estable o marginalmente
inestable
Si 0 < ξ < 1
los polos en lazo cerrado son complejos conjugados y se estan en el semiplano izquierdo del plano s. El sistema, se denomina subamortiguado y la respuestatransitoria es oscilatoria.
Si ξ = 1
el sistema se denomina críticamente amortiguado
ξ > 1.
Los sistemas sobreamortiguados.
La respuesta transitoria de los sistemas críticamente amortiguados y sobreamortiguados no
oscila. Si ξ = 0, la respuesta transitoria no se amortigua.
un sistema críticamente amortiguado
presenta la respuesta más rápida.
Un sistema sobreamortiguado
siempre es lento para responder a las
entradas.
Tiempo de retardo, td
es el tiempo requerido para que la respuesta alcance la primera vez la mitad del valor final.
Tiempo de levantamiento, tr:
es el tiempo requerido para que la respuesta pase del 10 al 90%, del 5 al 95% o del 0 al 100% de su valor final. sistemas subamortiguados de segundo orden, por lo común se usa el tr de 0 a 100%. Para sistemas sobreamortiguados, suele usarse tr de 10 a 90%.
Tiempo pico, tp:
es el tiempo requerido para que la respuesta alcance el primer pico del sobrepaso.
tp=_pi_
wd
Sobrepaso máximo (porcentaje), Mp:
es el valor pico máximo de la curva de respuesta, medido a partir de la unidad. Si el valor final en estado estable de la respuesta es diferente de la unidad, es común usar el porcentaje de sobrepaso máximo
Sobrepaso máximo (porcentaje), Mp: formula
c(tp)-c(inf) *100
c(inf)
Tiempo de asentamiento, ts:
es el tiempo que se requiere para que la curva de respuesta alcance un rango alrededor del valor final del tamaño especificado por el porcentaje absoluto del valor final (por lo general, de 2 a 5%) y
permanezca dentro de él. El tiempo de
asentamiento se relaciona con la mayor
constante de tiempo del sistema de control.
Tiempo de asentamiento, ts: formila
ts=3T= 3
sigma