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En el análisis y diseño de sistemas de control
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debemos tener una base de comparación del
desempeño de diversos sistemas de control |
El uso de señales de prueba
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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.
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Señales de prueba típicas.
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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
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si un sistema está sujeto a perturbaciones repentinas
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una función escalón sería una buena señal de
prueba |
para un sistema sujeto a entradas de choque
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una función impulso sería la mejor
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La respuesta en el tiempo de un sistema de
control consta de dos partes |
la respuesta transitoria y la respuesta en estado estable.
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respuesta transitoria
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nos referimos a la que va del estado inicial al estado final.
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Por respuesta en estado estable
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nos referimos a la manera en la cual se comporta la salida del sistema conforme t tiende a infinito.
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estabilidad absoluta
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La característica más importante del comportamiento dinámico de un sistema de control si el sistema es estable o inestable
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Un sistema de control está en equilibrio si
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en ausencia de cualquier perturbación o entrada, la salida
permanece en el mismo estado. |
error en estado estable.
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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Respuesta impulso unitario de sistemas de primer orden.
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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
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_C(S)_= _____ωn²____
R(S s²+ 2ξωnS+ ωn² |
(ξ>0)
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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)
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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.
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(ξ=0)
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El eje imaginario. Este resulta en
una amortiguación sostenida, y el sistema es marginalmente estable o marginalmente inestable |
Si 0 < ξ < 1
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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.
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Si ξ = 1
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el sistema se denomina críticamente amortiguado
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ξ > 1.
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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
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presenta la respuesta más rápida.
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Un sistema sobreamortiguado
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siempre es lento para responder a las
entradas. |
Tiempo de retardo, td
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es el tiempo requerido para que la respuesta alcance la primera vez la mitad del valor final.
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Tiempo de levantamiento, tr:
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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%.
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Tiempo pico, tp:
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es el tiempo requerido para que la respuesta alcance el primer pico del sobrepaso.
tp=_pi_ wd |
Sobrepaso máximo (porcentaje), Mp:
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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
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Sobrepaso máximo (porcentaje), Mp: formula
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c(tp)-c(inf) *100
c(inf) |
Tiempo de asentamiento, ts:
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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
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ts=3T= 3
sigma |