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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TECNOLOGÍA DIGITAL MAESTRÍA EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN SISTEMAS DIGITALES ANÁLISIS DE LOS EFECTOS DE LOS TIEMPOS DE RETARDO EN EL FUNCIONAMIENTO DE UN CONTROL RETROALIMENTADO TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS P R E S E N T A: ING. JOSÉ LUIS RODRÍGUEZ VERDUZCO BAJO LA DIRECCIÓN DE: DR. LUIS A. GONZÁLEZ HERNÁNDEZ AGOSTO, 2004 TIJUANA, B.C., MÉXICO

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TECNOLOGÍA DIGITAL

MAESTRÍA EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN SISTEMAS DIGITALES

ANÁLISIS DE LOS EFECTOS DE LOS TIEMPOS DE

RETARDO EN EL FUNCIONAMIENTO DE UN CONTROL RETROALIMENTADO

TESIS

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRO EN CIENCIAS

P R E S E N T A:

ING. JOSÉ LUIS RODRÍGUEZ VERDUZCO BAJO LA DIRECCIÓN DE:

DR. LUIS A. GONZÁLEZ HERNÁNDEZ

AGOSTO, 2004 TIJUANA, B.C., MÉXICO

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AGRADECIMIENTOS A mis padres, Víctor Manuel y Maria Beatriz por darme la educación y los valores para

lograr lo que hoy en día soy.

A mi maestro y asesor, Dr. Luis Arturo González Hernández, por compartir su tiempo y

conocimientos en la realización de este trabajo.

A quienes con sus sugerencias y recomendaciones ayudaron a enriquecer este trabajo, en

especial al Dr. Juan García L., M.C. Oscar Montiel Ross, M.C. Roberto Sepúlveda, M.C.

David Jaime Saucedo Martínez.

A mis hermanos, Olimpia Beatriz, Víctor Manuel, Jesús Arnulfo y Jorge Armando por sus

consejos y su apoyo incondicional.

A mis Sobrinas Martha Beatriz, Alba Lucia, Damaris y Darían por bendecir y dar alegría a

nuestra familia con su llegada.

A mis amigos Alfredo, Sara, Abigael, Abigael Jr.,Christopher, Leonardo, Alejandro, Carlos

Chávez, Rene, Gerardo, Arceo, Carlos Orozco, Yadíra, Atzíry, Jesús, Noe, Paty, por

alentarme a terminar este trabajo.

Al Instituto Politécnico Nacional y en especial al CITEDI.

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i

Í N D I C E Página

Lista de figuras iv

Lista de acrónimos y símbolos vii

Resumen viii

Abstract ix

INTRODUCCIÓN i

CAPÍTULO 1 TELEPROCESO Y TIEMPOS DE RETARDO 3

Introducción 3

1.1 Teleproceso 3

1.2 Telemetría 4

1.3 Telecontrol 6

1.4 Telerobótica 7

1.5 Teleoperación Bilateral 8

1.6 Bucles Cerrados en Telecontrol 10

1.7 Tiempos de retardos en sistemas de control 12

1.8 Representación y análisis de los sistemas con tiempos de retardo 13

1.9 La clase de sistemas lineales con retardo 16

1.10 Análisis de estabilidad de sistemas con retardo 19

1.10.1 En el dominio de la frecuencia 19

1.10.1.1 Criterio de Potryagin 19

1.10.1.2 Criterio del teorema de la pequeña ganancia 20

1.10.1.3 El criterio de Desoer y Vidyasagar. 21

1.10.1.4 Criterios polinomiales 21

1.10.1.4.1 El criterio de Tsypkin 21

1.10.1.4.2 Técnicas de matriz lápiz 22

1.10.2 En el dominio del tiempo 25

1.10.2.1 Método funcional de Lyapunov Krasovskii. 25

1.10.2.2 Método de la función de Lyapunov-Rasumikhin 25

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ii

CAPÍTULO 2 27

DISEÑO DE UN REGULADOR LOCAL 27

Introducción 27

2.1 Estructura de control 27

2.2 Diseño de un regulador robusto local 28

2.3 Relaciones para determinar la calidad del diseño: 33

2.4 Procedimiento de diseño del regulador en el marco H∞. 35

2.5 Determinación de las funciones de peso. 36

2.5.1 Función de peso Wd. 36

2.5.2 Función de peso W1. 38

2.5.3 Función de peso W2. 40

2.6 Pruebas de simulación 41

2.6.1 Pruebas con W1. 41

2.6.2 Pruebas con W2. 44

2.6.3 Selección de una nueva función de peso Wd. 45

2.7 Experimentación 50

2.7.1 Seguimiento 50

2.7.2 Regulación 51

CAPÍTULO 3 53

DISEÑO PARA LA ATENUACIÓN DE LOS TIEMPOS DE RETARDO 53

Introducción 53

3.1 Tiempos de retardo 54

3.2 El retardo como incertidumbre 55

3.3 Análisis en la frecuencia para 3IKc = 57

3.4 Procedimiento de diseño 58

3.4.1 Funciones de Peso 59

3.4.2 Función de peso de la incertidumbre multiplicativa Wo. 59

3.4.3 Función de peso de la señal de error We. 59

3.4.4 Función de peso de la señal de control Wu. 61

3.4.5 Función de peso de la señal de ruido Wn. 61

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iii

3.5 Valor singular estructurado µ 62

3.5.1 La interpretación de ( )M∆µ en el sistema retroalimentado 62

3.6 Síntesis µ 63

3.7 Cotas superior e inferior de ( )⋅∆µ . 66

3.8 Síntesis µ del controlador 67

3.8.1 Paso 1. 67

3.8.2 Paso 2. 70

3.8.3 Paso 3. 71

3.9 Controlador de orden reducido 75

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 79

BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS 81

APÉNDICES 83

A. BASE EXPERIMENTAL DE TELEOPERACIÓN 83

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iv

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 Proceso Remoto. .......................................................................................................3

Figura 1.2 Sistema de distribución y control de gas. .................................................................4

Figura 1.3 Aplicaciones de Sistemas Teleoperados. ..................................................................5

Figura 1.4 Sistema de telecontrol de la compañia Tbox. ..........................................................6

Figura 1.5 Robot manipulador de 6 GDL operado remotamente. Localizado en la universidad

del Oeste de Australia. El primer robot industrial operado remotamente en la Web. ...............7

Figura 1.6 Sistema de teleoperacion estandar. ..........................................................................8

Figura 1.7 Sistema de Teleoperacion Bilateral..........................................................................8

Figura 1.8 Sistema de Teleoperacion General. ..........................................................................9

Figura 1.9 Telecontrol con señales comando retardadas. .......................................................10

Figura 1.10 Telecontrol con señales comando y señales sensadas con retardo. .....................11

Figuras 1.11 Sistema de control en cascada. KL→ es el controlador local y un controlador de

seguimiento, Kc esta en el centro de comandos, este segundo controlador en que deberá

hacer robusto al sistema a los tiempos de retardos..................................................................11

Figura 1.12 Graficas de fase de Tje ω− para 5.0=T seg. .....................................................15

Figura 1.13 Diagrama a bloques de )()( sxesu sτ−= ...............................................................20

Figura 2.1 Estructura de telecontrol. .......................................................................................28

Figura 2.2 Diagrama a bloques del sistema de control. .........................................................29

Figura 2.3 Diagrama a bloques estándar.................................................................................29

Figura 2.4 Planta aumentada particionada .............................................................................32

Figura 2.5 Sistema de control en lazo cerrado.........................................................................33

Figura 2.6 Ganancia de lazo deseada ......................................................................................35

Figura 2.7 Función de las dinámicas de los disturbios............................................................37

Figura 2.8 Desviación de las señales comando en nuestro robot en presencia de disturbios.37

Figura 2.9 Definición de la función de peso W1.......................................................................38

Figura 2.10 Valores singulares de la función de peso W1........................................................39

Figura 2.11 Definición de la función de peso W2....................................................................40

Figura 2.12 Función de peso W2. .............................................................................................41

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v

Figura 2.13 (a) Respuesta de rechazo al disturbio; (b) Pruebas de funcionamiento nominal y

estabilidad robusta....................................................................................................................42

Figura 2.14 (a) Valores singulares de la función de sensibilidad; (b) Valores singulares del

controlador. ..............................................................................................................................42

Figura 2.15 (a) Valores singulares del controlador; (b) Valores singulares de la función de

sensibilidad. ..............................................................................................................................43

Figura 2.16 Pruebas de estabilidad robusta y funcionamiento nominal. ................................43

Figura 2.17 (a) Valores singulares del controlador; (b) Valores singulares de la función de

sensibilidad. ..............................................................................................................................44

Figura 2.18 (a) Pruebas de estabilidad robusta y funcionamiento nominal; (b) Respuesta al

disturbio. ...................................................................................................................................45

Figura 2.19 Dinámica de los Disturbios. .................................................................................46

Figura 2.20 Pruebas de estabilidad robusta y funcionamiento nominal. ................................47

Figura 2.21 Prueba de funcionamiento Robusto.....................................................................48

Figura 2.22 Valores singulares del regulador. ........................................................................48

Figura 2.23 Valores singulares de la función de sensibilidad. ................................................49

Figura 2.24 Respuesta al disturbio del sistema controlado para disturbios con magnitudes de

-2º, 4º, y –10º para las articulaciones 1, 2 y 3 respectivamente.............................................49

Figura 2.25 Función de sensibilidad y el inverso de la norma de W1......................................50

Figura 2.26 (a) Señal de salida del robot; (b) Señal de control; (c) Señal de error. Las

unidades están dadas en grados. ..............................................................................................51

Figura 2.27 (a) Señal de salida del robot; (b) Señal de control; (c) Señal de error................52

Figura 3.1 Sistema de control en cascada................................................................................53

Figura 3.2 Sistema de control con tiempos de retardos. .........................................................54

Figura 3.3 Sistema de teleoperación. .......................................................................................54

Figura 3.4 Incertidumbre multiplicativa a la entrada de la planta..........................................55

Figura 3.5 Planta con retardo en la Línea de Transmisión. ...................................................55

Figura 3.6 Diagrama a bloques de la incertidumbre multiplicativa........................................56

Figura 3.7 Función de peso Wo. ...............................................................................................57

Figura 3.8 Interconexión del Sistema para alcanzar los objetivos de funcionamiento............59

Figura 3.9 Función de peso del error We. ................................................................................60

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vi

Figura 3.10 Funciones de peso Wn y Wu...................................................................................61

Figura 3.11 La interpretación de ( )M∆µ . ...............................................................................62

Figura 3.12 Transformación Fraccional lineal del sistema de control....................................63

Figura 3.13 Sistema en lazo cerrado ( )[ ]KPFF UL ,, ∆ .............................................................64

Figura 3.14 Sistema en lazo cerrado con la planta perturbada..............................................64

Figura 3.15 Respuesta en frecuencia del primer controlador..................................................68

Figura 3.16 Pruebas de estabilidad robusta y funcionamiento nominal. ................................68

Figura 3.17Medidas del funcionamiento robusto.....................................................................69

Figura 3.18 Respuesta del sistema controlado a señales comando escalón para diferentes

retardos de 8, 12 y 16 seg. ........................................................................................................69

Figura 3.19 Función de fase mínima d(s).................................................................................70

Figura 3.20 Respuesta en frecuencia de K2..............................................................................72

Figura 3.21 Pruebas de estabilidad robusta y funcionamiento nominal para el segundo

controlador. ..............................................................................................................................72

Figura 3.22 Medidas del funcionamiento robusto para el segundo controlador.....................73

Figura 3.23 Respuesta del sistema controlado para el segundo controlador con diferentes

tiempos de retardo. ...................................................................................................................74

Figura 3.24 Respuesta a la frecuencia del controlador 2cK . ..................................................75

Figura 3.25 Pruebas de estabilidad robusta y funcionamiento nominal con 2cK ...................75

Figura 3.26 Valor singular estructurado con 2cK ...................................................................76

Figura 3.27 Respuesta al disturbio con el controlador reducido 2cK a tiempos de retardo de

8, 12 y 16 seg. ...........................................................................................................................76

Figura 3.28 Respuesta a entradas comandos para diferentes retardos. ..................................77

Figura 3.29 Atenuación de ruidos a la salida del sistema telecontrolado ...............................78

Figura A.1 Sistema de control local. ........................................................................................83

Figura A.2 Base experimental para el control Teleoperado. ..................................................84

Figura A.3 Panel de control en LabView para el sistema Teleoperado...................................85

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vii

LISTA DE ACRÓNIMOS Y SÍMBOLOS

GDL Grados de libertad.

LMI Desigualdades matriciales lineales.

SISO Una entrada, una salida.

MIMO Múltiples entradas, múltiples salidas.

UTR Unidad terminal remota.

PID Controlador proporcional integral y derivativo.

CD Corriente directa

[ ]⋅ℑ Transformada de Laplace.

ℜ Conjunto de los números reales. −+ C,C Representa el lado izquierdo y derecho del plano complejo.

[ ]( )nn CC ℜ−= ,0,, ττ Denota el espacio de Banach de funciones vectoriales continuas,

mapeando el intervalo [ ]0,τ− dentro de nℜ .

⋅ Se refiere a la norma Euclideana.

∞⋅ Se refiere a la norma infinito.

∑ Terceto.

τ Tiempos de retardo.

λ Valores propios

Λ Matriz lápiz

⊕⊗ , Denotan el producto y la suma de Kronecker.

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viii

RESUMEN Un sistema de teleoperación con un manipuladorde 3 GDL como planta, fue estudiado y

diseñado en esta tesis. El manipulador tiene algunos problemas en sus dinámicas y

funcionamiento en estado estable tales como el rastreo debido a no-linealedades y mala

regulación a los disturbios de carga.

Un regulador robusto basado en las tecnicas de optimizacion H∞ fue diseñado para mejorar el

funcionamiento del sistema bajo disturbios de carga y errores de modelado, este regulador fue

colocado en el manipulador en forma local, entonces se procedió a diseñar un segundo

controlador que forma parte de la estructura de teleoperación, y los objetivos de

funcionamiento para este controlador fueron: alcanzar la estabilidad del sistema teleoperado

en precencia de tiempos de retardo presentes en la lineas de transmisión, tambien como un

buen rastreo de las señales de referencia y la atenuación del ruido inducido en los canales de

comuncación. La técnica usada para diseñar este segundo controlador fue Sintesis-µ. Usando

el proceso iterativo D-K, se obtuvo un controlador de orden muy grande, y usando técnicas de

modelo de orden reducido, finalmente, se obtuvo un controlador manejable de orden 12.

El sistema controlado mostró un buen funcionamiento y el rango de la cota superior de los

tiempos de retardo que hacia inestable al sistema fue notablemente incrementado.

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ix

ABSTRACT

A teleoperation system with a 3 DOF manipulator as plant was studied and designed on this

thesis. The manipulator has some problems in its dynamics and steady state performance such

tracking bias due to nonlinearities and bad regulation to load disturbances.

A robust regulator based on H∞ optimization technique was designed to improve the

performance of the system under load disturbance and modelling errors, this regulator was

put local to the manipulator, then we designed a second controller, that was part of the

teleoperation structure, and the performance objectives for this controller were to achieve

stability of the teleoperation system in face of delay times present in transmission lines as well

as good tracking of reference signals and attenuation of noise induced in the communication

channels. The technique used to design this second controller was µ-Synthesis. Using the

iterative D-K process, a large order controller was obtained, that by using model order

reduced techniques resulted, finally, a manageable 12 order controller.

The controller system shows good performance and the range of the upper value of the time

delay that brings on an unstable system was notably increased.

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1

INTRODUCCIÓN

En muchos sistemas de ingeniería se encuentran sistemas donde aparecen los tiempos de

retardo, ya sea debido a la transmisión de información o de materiales. Algunos ejemplos

típicos que de alguna forma son afectados por los retardos son los sistemas de transportación,

sistemas de comunicaciones, procesos químicos, sistemas de potencia y sistemas de

teleoperación, son ejemplos típicos de sistemas que de alguna forma sufren de retardos.

En particular los sistemas de teleoperación bilateral, es necesario la transmisión de señales

como fuerza, velocidad y posición, entre un sistema maestro y un sistema esclavo, introducen

en los canales de comunicación tiempos de retardo que afectan de forma significativa la

estabilidad y funcionamiento del sistema. Es bien sabido que pequeños retardos en las líneas

de comunicación pueden ocasionar que el sistema sea inestable [1]. Los sistemas con retardos

son difíciles de tratar porque sus parámetros son inherentemente distribuidos, y se consideran

como sistemas variantes en el tiempo. El diseño de controladores para este tipo de plantas es

una tarea complicada. Por ejemplo; en algunos casos se busca un diseño para lograr que un

sistema sea independiente del retardo, pero el caso general es obtener un sistema cuyo

funcionamiento sea dependiente del retardo, pero que opere adecuadamente en un rango

amplio de los valores de los tiempos de retardo.

Durante los años pasados el diseño de controladores para este tipo de sistemas, ha tenido buen

resultado la aplicación de técnicas de optimización ∞H [2], [3], en particular para los casos en

que el tiempo de retardo es incierto. En caso en que el tiempo de retardo es fijo y conocido,

existen varios métodos conocidos [12], [13].

En cuanto al análisis de estabilidad para este tipo de sistemas controlados con plantas con

retardos, existe una gran variedad de métodos, desde los clásicos como el método de

Hurtwitz, hasta el uso de desigualdades matriciales lineales LMI [20]. Técnicas de análisis en

el dominio de la frecuencia como lo son el método del lugar de raíces, el método del

argumento principal, los criterios polinomiales, las técnicas de matriz lápiz que se aplican

tanto a sistemas SISO (Single Input Single Output) como a sistemas MIMO(Multiple Inputs

Multiple Outputs) lineales [14],[15]. En el dominio del tiempo encontramos algunos métodos

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de análisis como Lyapunov-Krasovskii y Lyapunov-Rasumikhin, cuya aplicación se extiende

a sistemas lineales y no-lineales [4], [16] con retardo.

En este trabajo se diseñó un controlador robusto utilizando únicamente retroalimentación de

la salida para un sistema teleoperado, se utilizó un robot de 3 Grados De Libertad (GDL),

junto con el canal de comunicación como una planta con retardo. El retardo se consideró

incierto pero acotado. El retardo del bucle de control se consideró como parte de una

incertidumbre de tipo multiplicativa a la entrada del robot. Esto permitió obtener una función

de peso como cota de la incertidumbre, que se utilizó en el diseño.

También se construyó un regulador local al robot a efectos de carga, con lo cual se logra una

mejor respuesta del sistema teleoperado en estas condiciones. En el diseño del regulador se

usó la técnica de optimización ∞H , mientras que en el diseño del controlador del sistema

general de telecontrol se utilizaron técnicas de Síntesis-µ.

En el diseño de controladores robustos para sistemas teleoperados, se involucra un

compromiso entre el funcionamiento y la estabilidad robusta [2]. Este mismo compromiso se

presentó al final de este trabajo entre los objetivos de funcionamiento y funcionamiento

robusto. En algunas aplicaciones como la telecirugía, donde se involucra la manipulación de

objetos suaves, este compromiso entre el funcionamiento y la estabilidad es el principal

determinante en el diseño de control para estos sistemas [5].

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3

CAPÍTULO 1

TELEPROCESO Y TIEMPOS DE RETARDO

Introducción

La medición y/o control a distancia es una necesidad en muchas y variadas situaciones. Esto

es el caso en industrias, con unidades dispersas, conociéndose en este caso a este tipo de

sistemas como teleproceso, medición y control supervisorio en forma remota. Áreas más

novedosas y particulares son telerobótica, telecirugía etc. a continuación se mencionan y

describen brevemente cada una de estas áreas.

1.1 Teleproceso

Teleproceso es un término ampliamente usado en la industria de procesos como: química,

petroquímica y redes de distribución. Hoy en día existe una gran cantidad de compañías que

ofrecen servicios de automatización de procesos que se encuentran a distancia del operador o

sistema de control, algunas de las áreas que podríamos mencionar son: la telerobótica,

telemetría, teleoperaciones, telecontrol, telecirugía... etc. En la industria es muy frecuente

encontrar instalaciones que se encuentran geográficamente dispersas, Figura 1.1, como lo son

depósitos de agua, instalaciones de gas, electricidad, de riego, de telecomunicaciones y

muchas otras.

Figura 1.1 Proceso Remoto.

Una de las aplicaciones que se puede mencionar es la distribución de agua potable de un

estado, donde se tiene que suministrar agua a una cantidad de personas distribuidas en los

municipios, para lograr este objetivo en forma eficiente es necesario tener un monitoreo a

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4

distancia de las alarmas y las operaciones de mantenimiento de una gran cantidad de

estaciones de bombeo, depósitos y presas con cientos de kilómetros de canalizaciones bajo

tierra, que permitan supervisar y controlar el funcionamiento del sistema.

Un ejemplo de teleproceso es la distribución de gas en una ciudad donde es necesario medir y

controlar automáticamente el volumen de gas existente en los convertidores (sistemas de

medición de gas) y transmitir estos datos a un sistema central lejano, donde se tomaran

decisiones sobre las acciones a enviar al sistema para que sean ejecutados. Haciendo uso de

un conjunto de instrumentos como un autómata programable, un sistema de archivo, un

teletransmisor de alarmas y una plataforma multi-comunicación con módem, se logra

implementar de una manera muy eficiente este proceso como se muestra en la Figura 1.2.

Figura 1.2 Sistema de distribución y control de gas.

1.2 Telemetría

Las aplicaciones de telemetría usualmente consiste de un número de componentes:

• Estación Central del Sistema Maestro.

• Una Red de Comunicación.

• Unidades Terminales Remotas.

• El Campo de la Instrumentación.

La unidad terminal remota es una pequeña computadora que provee inteligencia en el área de

trabajo y permite a la estación central maestra comunicarse con los instrumentos de campo.

Esta es una unidad de adquisición de datos y control. Su función es controlar el proceso del

equipo en el sitio remoto, controla remotamente la planta, adquiere datos del equipo o

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5

sensores, y transfiere los datos de vuelta a la central. Su objetivo es también mandar alarmas

a la estación central y/o al personal indicado.

Con el sistema de control a distancia de una instalación de calefacción se transmiten los datos

de la instalación, que registra el sistema de regulación de la caldera de calefacción, mediante

una interfaz adicional a un aparato de fax, a un servicio de telefonía o a un puesto de mando

central de una empresa de asistencia técnica, Figura 1.3.

Figura 1.3 Aplicaciones de Sistemas Teleoperados.

El establecimiento especializado en calefacciones puede así controlar el funcionamiento de la

instalación y se percata de las averías a menudo mucho antes de que lo haga el usuario. Si se

necesitara, también puede accionarse el programa de calefacción mediante un puesto de

mando central de PC o por teléfono.

Las ventajas del control a distancia son evidentes:

• Ahorro de tiempo y de gastos en caso de requerirse asistencia técnica

• Aumento de la seguridad en el funcionamiento, debido a que la instalación registra

automáticamente las causas de la avería

• Aumento de la comodidad y ahorro de energía al realizar el accionamiento a distancia

del programa operativo vía teléfono

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6

1.3 Telecontrol

Un sistema de telecontrol controla equipos en lugares remotos y monitorea las señales de

entrada/salida que en ellos actúan y sus efectos. Por ejemplo en la industria de distribución de

agua, las estaciones de bombeo en la mayoría de los casos están geográficamente dispersas y

en los tanques de almacenamiento es necesario la transferencia de información que permita

controlar el nivel y el flujo de salida debido a la demanda de una comunidad. Las Unidades

Terminales Remotas (UTR’s) son unidades con sensores y actuadores en lugares remotos, los

cuales mandan y reciben información a través de redes de comunicación. Un UTR, controla,

automatiza y monitorea la planta de distribución de agua y almacena datos de operación de los

parámetros de entrada, tales como flujo, presión, estado de encendido y apagado ....etc.

cualquier condición de trabajo anormal es inmediatamente detectado y sofisticadas

secuencias de alarmas son ejecutadas. Un ejemplo de Telecontrol se muestra en la Figura 1.4.

Figura 1.4 Sistema de telecontrol de la compañia Tbox.

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7

1.4 Telerobótica

Las aplicaciones de telerobótica se encuentran en industrias como las de extracción de gas,

militar, así como en las áreas de investigación espacial, submarina e incluso en la medicina

como en las cirugías, las cuales consisten en el manejo de robots a distancia, pero con la

salvedad de que el operador ve lo que el robot esta viendo e incluso tiene el tacto de la

máquina. Los ambientes hostiles como lo son las zonas de guerra, plantas nucleares

accidentadas, incendios peligrosos, entre otros; son los sitios que se prestan para ser

explorados y para realizar tareas a distancia, o de manera remota. Un ejemplo de Telerobótica

se muestra en la Figura 1.5.

Figura 1.5 Robot manipulador de 6 GDL operado remotamente. Localizado en la universidad

del Oeste de Australia. El primer robot industrial operado remotamente en la Web.

Uno de los principales problemas en estos sistemas, sobre todo aquellos operados a grandes

distancias, es la presencia de "retardos", sufrido por la señal enviada en el canal de

comunicación. Esto ocasiona que la señal enviada sea observada por el robot un tiempo t

después de que se envió, el problema que esto acarrea es la pérdida de coordinación del

operador, o ya que el operador es parte del lazo de control, se ocasionará una inestabilidad en

el mismo, es decir, se pueden modificar las variables de entrada del proceso (un flujo másico,

p.e.) pero su efecto tardará en observarse. Aún en pequeña escala, el simple uso de un sistema

medidor de pH presenta retardos que pueden impactar la regulación de un proceso en que se

tomen decisiones de control a partir de la medición de una variable retardada.

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1.5 Teleoperación Bilateral

A continuación se describe lo que es un sistema de teleoperación bilateral, cuyo objetivo es

realizar tareas remotas, pero que a diferencia del esquema de telerrobótica, el operador emula

o mimetiza el movimiento del robot y siente el efecto del robot con su medio ambiente.

Un sistema de Teleoperación es la comunicación de señales comando, entre dos sistemas a

través de un canal de comunicación, estos dos sistemas pueden ser por ejemplo dos

manipuladores, un manipulador esclavo y un manipulador maestro, donde las señales de

control son producidas por el manipulador maestro, y éstas son transmitidas a través de un

canal de comunicación y recibidas por el manipulador esclavo el cual tiene que responder a

las señales de control recibidas [6], y reenviar las señales que indican la interacción del robot

esclavo con su medio ambiente.

La teleoperación es la extensión de la capacidad de una persona de sentir y manipular un lugar

remoto. Un sistema teleoperador estándar se describe en la Figura 1.6. y un sistema de

Teleoperación bilateral se muestra en la Figura 1.7.

Figura 1.6 Sistema de teleoperación estandar.

Figura 1.7 Sistema de Teleoperación Bilateral

SISTEMA MAESTRO

CANAL DE COMUNICACION

SISTEMA ESCLAVO

fh vm

fmd

Vsd

fs

fe

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9

El operador humano a través de un manipulador maestro ejerce una fuerza fh, el maestro se

mueve con una velocidad vm la que se transmite a través de un red de comunicación hacia el

manipulador esclavo y se presenta como una variacion de referencia al manipulador esclavo.

El manipulador esclavo responde a la señal de referencia, vsd, y la fuerza fs sensada como un

resultado del contacto con el ambiente y/o fuente externa por el robot esclavo, fe, es

transmitida a través de la red de comunicación hacia el manipulador maestro la cual llega

como una fuerza fmd, que el manipulador maestro siente como una oposicion al movimiento.

Un sistema de teleoperacion [5] general se muestra en la Figura 1.8.

Figura 1.8 Sistema de Teleoperación General.

El sistema de teleoperacion general descrito en la Figura 1.8, consta de cinco subsistemas:

Operador humano, manipulador maestro, controlador, manipulador esclavo y el ambiente. En

cualquier diseño de un sistema de teleoperacion bilateral, el requisito esencial es proveer una

transmision confiable de señales (posiciones velocidades y fuerzas) entre el maestro y el

esclavo para acoplar al operador tan cercanamente como sea posible al manipulador esclavo,

la presencia de tiempos de retardo en el sistema hace que sea necesario el diseño de un

controlador que compense los atrasos de fase, ocasionados por los canales de comunicación.

Como es conocido en control, la introduccion de retardos en el bucle de control hace que el

sistema este cercano a la inestabilidad y a un deterioro de su funcionamiento. El diseño de

controladores que alcancen la transparecia entre un sistema maestro y un sistema esclavo,

mientras mantienen estabilidad de un sistema teleoperado es uno de los principales asuntos

que se presentan en el control de sistemas teleoperados.

SISTEMA MAESTRO

CONTROLADOR SISTEMA ESCLAVO

vm

fmd

vsd

fs

fe OPERADOR AMBIENTE fh

Teleoperador

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10

1.6 Bucles Cerrados en Telecontrol

Con las aplicaciones anteriormente descritas de sistemas teleoperados, se pueden presentar

diferentes estructuras de control, las más frecuentes son los sistemas de telecontrol que están

constituidos por un sistema de adquisición de datos y control los cuales mandan y reciben

información a través de redes de comunicación de una estación central de monitoreo y

control. En este caso las señales de control emitidas por la estación central a través de las

redes de comunicación llegan al sistema remoto con un retardo en el tiempo, el cual no afecta

al sistema en su estabilidad ya que éste se encuentra controlado a través de un lazo de control

local, el efecto que ocasiona este tiempo de retardo es el retraso de las acciones de control.

En muchos casos se busca regular la planta a controlar con respecto a disturbios externos y a

variaciones e incertidumbre de la misma y también que la planta rastree fielmente señales de

comando. En este caso se deberán implementar bucles de control.

Existen dos estructuras de Telecontrol para estos sistemas:

a) El ya mencionado anteriormente en el que el bucle de control esta localizado donde se

encuentra la planta a controlar. En este caso el centro de comandos únicamente envía

la señal comando para ser rastreada por la planta, Figura 1.9 . El bucle local deberá

ser diseñado para rechazar disturbios externos. En este caso el efecto del retardo ∆t de

la señal comando se manifestará como un retardo en la respuesta de la planta.

Figura 1.9 Telecontrol con señales comando retardadas.

b) Aquel en el que el canal de comunicación se utiliza dentro del bucle de control, tanto

en su trayectoria directa como en su trayectoria de retroalimentación en este caso el

controlador se coloca en el centro de comandos, Figura 1.10.

Centro de comandos

( )tr ( )ttr ∆+

G K)(ty

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11

Figura 1.10 Telecontrol con señales comando y señales sensadas con retardo.

Este esquema no es común, pero es utilizado en casos en los cuales el controlador se necesita

colocar alejado del sitio de trabajo de la planta, debido a condiciones no favorables al

controlador como: ambientes muy contaminados, altas temperaturas, campos

electromagnéticos, etc. Esto obliga a que en los objetivos de diseño del controlador se tomen

en cuenta los tiempos de retardo que se presentan en las líneas de transmisión. Si a este

mismo caso le añadimos el problema de los disturbios e incertidumbre presentes en la planta

expuesta a ambientes hostiles, la capacidad de respuesta del sistema de tele operación sería

muy pobre ya que los tiempos de retardo presentes en el canal de comunicación atrasarían las

señales de control llegando a demeritar su funcionamiento y en casos mas graves a provocar

su inestabilidad.

Figuras 1.11 Sistema de control en cascada. KL→ es el controlador local y un controlador de seguimiento, Kc esta en el centro de comandos, este segundo controlador en que deberá hacer robusto al sistema a los tiempos de retardos.

Una opción a la estructura b) para disminuir y manejar este tipo de problemas, se propone en

la Figura 1.11 que es un sistema de control en cascada el cual contiene dos controladores los

cuales tendrán objetivos de diseño diferentes. Para compensar los errores de modelado y el

rechazo a disturbios, se diseñará un primer controlador KL que estará ubicado en forma local

en el proceso dando respuesta inmediata a las perturbaciones anteriormente descritas. Para

atenuar los efectos de los tiempos de retardo y rastreo de una señal de referencia, se diseña un

segundo controlador Kc, que estará ubicado en el centro de comandos, la complejidad de este

Centro de comandos

( )tr( )ttr ∆+

G K )(ty

Centro de comandos

( )tr G Kc y (t)

KL

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12

controlador no tiene limite, ya que este se encuentra en el centro de comandos donde la

capacidad de computo es mucho mayor.

Un fenómeno particularmente importante que se presenta en todo sistema de teleproceso, son

los tiempos de retardo en el canal de comunicación. Los efectos que estos tiempos de retardo

tienen sobre el sistema de teleproceso son críticos, ya que afectan sus características de

estabilidad como su respuesta a comandos y a disturbios.

En la siguiente sección se describirán algunas características de sistemas con tiempo de

retardo.

1.7 Tiempos de retardos en sistemas de control

En los sistemas de telecontrol se presentan tiempos de retardo en los canales de

comunicación, de igual manera, en los procesos de control de plantas químicas se presentan

tiempos de retardo provocado por el transporte de fluidos o materiales entre los procesos y los

controles o sensores.

En muchos sistemas de control retroalimentado, tenemos tiempos de retardos incrustados en

alguna parte del lazo. El trabajo realizado en esta tesis comprende sistemas con tiempo de

retardos presentes en el lazo de control o en la línea directa utilizando la estructura de control

mostrada en la Figura 1.11. Los sistemas teleoperados, como los procesos industriales de

control donde el transporte de materiales o fluidos se ven involucrados, presentan tiempos de

retardos que pueden llegar a ser tan grandes que pueden impedir la correcta operación de los

controladores P, PI y PID.

Las fuentes de los retardos presentes en estos sistemas son:

• El proceso tiene operaciones de transporte de fluidos a lo largo de distancias

considerables (cañerías largas entre unidades, por ejemplo).

• El proceso presenta fases de incubación (atrasos en sistemas biológicos, por

ejemplo).

• Los sensores (o alguno de ellos) requieren plazos extensos para arrojar una

medición (cromatógrafos, por ejemplo).

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13

)()( Ttxty −=

• El actuador requiere de un tiempo importante para producir un cambio (válvulas

muy pesadas, por ejemplo).

Estos efectos, suelen impedir la acción apropiada de los bucles de control porque:

• Las perturbaciones no se detectan oportunamente;

• La acción de control, que depende de la oportuna medición, no ocurre en el

momento adecuado;

• La acción de control tarda en hacer efecto sobre el proceso;

Y redunda, finalmente, en un bucle cerrado que puede resultar inestable.

Los tiempos de retardo también se llaman retardo de transporte o tiempo muerto, estos se

presentan cuando en los sistemas tienen retardos en la medición, en la acción de control, en la

operación funcional, o situaciones similares .

La relación entre la entrada y la salida de un elemento con retardo es el siguiente:

(1.1)

donde el valor de )(ty en el tiempo t es el valor de x en el tiempo Tt − .

La función de transferencia del retardo de transporte o tiempo muerto, usando la transformada

de Laplace es la siguiente:

(1.2)

donde s es la variable compleja de Laplace.

Por lo tanto un retardo se manifiesta en el modelo cuando se añade un término sTe− .

1.8 Representación y análisis de los sistemas con tiempos de retardo

Comúnmente en la descripción matemática de un proceso se considera que su

comportamiento depende solamente del presente, pero existen procesos para los cuales esto

no se cumple (ejemplo: cuando incluye transporte de información o material), que introducen

[ ][ ]

TsTs

esXesX

ttxTtTtx −

==ℑ

−−ℑ)(

)()()(

)()(11

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14

retardos en los canales del proceso. El modelar estos procesos sin tomar en cuenta este

fenómeno puede conducirnos a conclusiones erróneas en el funcionamiento del mismo. Si se

incluye también información sobre el estado pasado del sistema entonces a estos sistemas se

les llama sistemas con retardo en el tiempo.

Representaciones de sistemas con retardos

Existen tres maneras de modelar estos sistemas las cuales son:

Evoluciones en espacios abstractos: Su evolución es descrita por operadores apropiados

(acotados o no acotados) en espacios de dimensión infinita.

Ecuaciones diferenciales funcionales: Aquí existen dos maneras para considerar los sistemas

retardados:

• Como evolución en un espacio de dimensión finita

• Como evolución en un espacio-función.

Una ventaja de estas representaciones es el tratar problemas dimensionalmente infinitos,

usando herramientas dimensionalmente finitas.

Ecuaciones diferenciales sobre anillos o módulos: este tipo de representación se presta un

gran interés en las propiedades estructurales, como estabilidad y observabilidad.

Cada representación tiene sus propias ventajas e inconveniencias dependiendo del problema

que se trate.

Dimensión infinita versus dimensión finita.

Ya que los sistemas con retardo están dentro de la clase de sistemas de dimensión infinita,

tenemos dos maneras de analizarlos:

• Aproximaciones de dimensión finita: tales como aproximaciones de Padé, series de

Fourier-Laguerre, o una aproximación racional de Hankel óptima. Un problema clavé

en estas aproximaciones es la opción de la dimensión de la aproximación.

Un ejemplo de este tipo de aproximaciones es la aproximación de Padé, donde el retardo es

aproximado mediante una expansión en serie Tse− de la forma.

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15

( ) ( )

( ) ( )K

K

+++−

+−+−=−

48821

48821

32

32

TsTsTs

TsTsTs

e Ts (1.3)

Como un ejemplo de aproximación de primer orden tomamos los dos primeros términos de

numerador y denominador obteniendo lo siguiente

TsTs

Ts

Ts

e Ts

+−

≅−

−≅−

22

21

21

(1.4)

o de segundo orden sería

2

2

2

2

)(48)(48

8)(

21

8)(

21

TsTsTsTs

TsTs

TsTs

e Ts

+++−

≅++

+−≅− (1.5)

A continuación en la Figura 1.12 se muestran las gráficas de fase de Tje ω− y sus

aproximaciones de Padé de 1°, 2°, 3° orden.

Figura 1.12 Gráficas de fase de Tje ω− para 5.0=T seg. Se observa que al ir aumentando el orden, la aproximación tiene un menor grado de error con

respecto a la curva real en un rango de frecuencia más amplio.

• Interpretaciones de dimensión finita: los sistemas con retardo pueden ser descritos

como evoluciones en espacios de dimensión finita, o en un espacio función.

1° Orden

2° Orden

3° Orden

Tje ω−∠

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16

En estos casos el problema de dimensión infinita puede ser “Transformado” en uno de

dimensión finita.

1.9 La clase de sistemas lineales con retardo

Esta es un clase de sistemas de gran interés, donde se toman los retardos como parámetro del

sistema. En cuanto a análisis de estabilidad se refiere, existen dos conceptos que son:

• Estabilidad independiente del retardo

• Estabilidad dependiente del retardo

En cuanto al retardo en sí, éste puede considerarse constante o variable en el tiempo, también

pueden encontrarse sistemas con múltiples retardos.

La ecuación diferencial funcional de un sistema lineal con múltiples retardos es de la forma:

(1.6)

con una condición inicial de la forma:

(1.7)

donde la pareja ( )φ,0t pertenece al espacio producto ντ,nC×ℜ+ .

Donde

{ }νφφ τν

τ <∈=Cnn CC :,, (1.8)

siendo [ ]( )nn CC ℜ−= ,0,, ττ el espacio de vectores de funciones continuas que mapean el

intervalo [ ]0,τ− en nℜ y ( )τ

τφφ t

tC

0sup

≤≤−= .

Estos sistemas comúnmente se les asocia a un terceto de la forma:

( ) ( ) ( )∑=

−+=dn

iidi txAtAxtx

1

τ&

[ ]dni

otx,

τ,0-θ)()(1

imax , =

=∈=+ ττθφθ

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17

( )∑ τ,, dAA

donde dA es una lista de matrices y τ es una lista de retardos, es decir:

[ ][ ]nd

dndddd dAAAAA

τττττ ...,,...,,

321

321

==

Así en el espacio de parámetros, A corresponde a los estados “actuales” y Ad a los estados

“pasados”.

Se dice que ∑ (el terceto) es asintóticamente estable: significa que el sistema (1.6) es

asintóticamente estable.

Si la dimensión del conjunto de retardos es 1 (nd = 1) se tiene el caso de un solo retardo que es

de los casos que más se encuentran en problemas de ingeniería.

Incertidumbre de sistemas lineales con retardo:

El término de incertidumbre se refiere a las diferencias o errores entre los modelos y la

realidad. La incertidumbre se tiene cuando no se conocen bien los parámetros ),( dAA y/o el

retardo τ.

Un sistema incierto lineal con retardo se define de la siguiente forma

( )Φ∑ ,, D

donde:

∑ Sistema nominal (libre de incertidumbres) como ),,( τdAA .

( )Φ,D Describe la incertidumbre, D es el conjunto de perturbaciones es decir un dominio en

el cual la incertidumbre es conocida para encontrarse y Φ es un mapeo que toma

valores de D, y el cual describe la manera en que la incertidumbre actua sobre los

parámetros del sistema.

Estabilidad independiente del retardo y dependiente del retardo

Siguiendo a Mori [17], tenemos dos tipos de estabilidad asintótica para los sistemas de la

forma (1.6)-(1.7).

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18

Independiente del retardo: El sistema es estable para todos los valores de retardos finitos

positivos. Directamente esto implica robustez con respecto al tiempo de retardo.

Dependiente del retardo: la estabilidad es mantenida para algunos valores de retardo y el

sistema es inestable para otros valores.

Suposición 1: El sistema de la forma ( ) ( ) ( )∑=

−+=dn

iidi txAtAxtx

1τ& libre de retardos )0( =τ es

asintóticamente estable. Esto es ),( dAA es Hurwitz.

Si el sistema cumple esta suposición entonces el sistema es estable dependiendo del retardo,

esto es, existen valores )0( >τ para los cuales el sistema es inestable.

Múltiples retardos En este caso tenemos una mezcla de las dos conceptos de estabilidad

asintótica, la cual puede ser llamado independiente del retardo/ dependiente del retardo: en

este caso se tiene estabilidad dependiente del retardo en un retardo ( o en varios ) y estabilidad

independiente del retardo en los otros retardos (o en al menos uno) y todas las posibles

combinaciones.

Es claro que en el espacio de parámetros de retardo se tienen dos conjuntos de retardo

diferentes:

Conjuntos no-acotados: en estos se incluyen los casos independientes del retardo e

independientes del retardo/dependientes del retardo.

Conjuntos acotados: incluyen solamente los casos dependientes del retardo.

Si lo retardos son medibles y tenemos el mismo número de retardos con las dos conceptos de

estabilidad independiente del retardo y dependiente del retardo, ésto puede tomarse como el

caso de un simple retardo.

Los casos de retardos variantes en el tiempo se definen en forma similar al del caso de un solo

retardo.

Robustez

Los problemas de “dependencia de retardo, independencia de retardo” definidos

anteriormente podrían ser vistos como problemas de robustéz con respecto a los retardos.

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19

1.10 Análisis de estabilidad de sistemas con retardo

1.10.1 En el dominio de la frecuencia

En el dominio de la frecuencia, los métodos de análisis se limitan a sistemas lineales con un

solo retardo constante, aquí brevemente se mencionaran algunas pruebas analíticas y gráficas

conocidas en la literatura, las cuales son una generalización del método de Hurwitz a sistemas

con retardo.

1.10.1.1 Criterio de Potryagin

Esta prueba se basa en el análisis de la función característica del sistema retardado en la forma

cuasipolinomial [21]:

.),(0 0

∑∑= =

=p

i

q

k

kiik eaeP λλ λλ (1.9)

Permitiendo que ( )ωF y ( )ωG denoten la parte real e imaginaria del cuasipolinomio ),( ⋅⋅P

entonces:

1. Si todas las raíces de P están en el semiplano izquierdo del plano complejo, entonces

las raíces de ( )ωF y ( )ωG son reales, simples, alternadas y se cumple la siguiente

condición.

(1.10)

2. Inversamente , todas las raíces de P están en el semiplano izquierdo del plano

complejo si una de las siguientes condiciones se satisface.

a) Todas las raíces de ( )ωF y ( )ωG son reales, simples, alternadas y la

desigualdad (1.5) se satisface para al menos una ℜ∈ω .

b) Todas las raíces de ( )ωF y ( )ωG son reales, simples y para cada raíz y la

desigualdad (1.5) Se satisface.

( ) ( ) . ,0)(')(' ℜ∈∀>− ωωωωω GFGF

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20

1.10.1.2 Criterio del teorema de la pequeña ganancia

Para el caso de un solo retardo, la ecuación funcional lineal con retardo, se puede tomar como

el siguiente sistema dinámico dimensionalmente finito:

)()()( tuAtAxtx d+= (1.11)

donde

( )τ−= txtu )( (1.12)

se supone que el par ( )dAA, es estable para retardo cero.

La función de transferencia de esta representación es:

.)()( 1dnxu AAsIsH −−= (1.13)

y

)()( sXesU sτ−= (1.14)

que en diagrama a bloques se representa en la Figura 1.12:

Figura 1.13 Diagrama a bloques de )()( sxesu sτ−= .

Por lo tanto para ωjs = y aplicando el teorema de la pequeña ganancia se obtiene la

condición de estabilidad asintótica.

1)(sup)(sup <=ℜ∈

ℜ∈ωω

ω

ωτ

ωjHejH xu

jxu (1.15)

entonces usando el principio máximo para la frecuencia compleja s se tiene

. ,1)(sup +−

∈ℜ∈∀<

−ττs

xuCs

esH (1.16)

esta desigualdad escalar proviene de la desigualdad matricial

ns

xu IesH <− τ)( ó 0)( >− − τsxun esHI (1.17)

)(sH xu

τse−

U(s) X(s)

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21

esta condición conduce a ++−− ∈ℜ∈∀≠−− CseAAsInIn st

d ,,))(det( τ01 (1.18)

lo cual permite concluir la estabilidad independiente del retardo del sistema.

1.10.1.3 El criterio de Desoer y Vidyasagar.

Expresa que en el caso de un simple retardo, el triplete ∑ es asintóticamente estable

independiente del retardo si:

1<dPA (1.19)

donde P es la solución simétrica única y positiva definida de la ecuación de Lyapunov

nT IPAPA 2−=+ . (1.20)

1.10.1.4 Criterios polinomiales

Existen varios criterios polinomiales, de los cuales aquí presentamos dos de los más

conocidos y útiles.

1.10.1.4.1 El criterio de Tsypkin

Este criterio es uno de los primeros resultados de estabilidad en lazo cerrado para retardos

independientes. Se considera una función de transferencia de la siguiente forma.

,)()()( τs

o esQsPsH −= (1.21)

donde )(sP y )(sQ son polinomios reales de grado )1( −n y n, respectivamente. Entonces

tenemos los siguientes resultados [4]:

• Si )(sQ es un polinomio estable entonces el sistema en lazo cerrado es:

τ

τ

s

s

o esPsQesPsH −

+=

)()()()( (1.22)

es asintóticamente estable si y solamente si la siguiente condición se cumple para toda

ℜ∈ω

)()( ωω jPjQ > (1.23)

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22

1.10.1.4.2 Técnicas de matriz lápiz

Una manera de manejar el criterio de independiente del retardo/dependiente del retardo, es

usando las técnicas de matriz lápiz. Dentro de los criterios polinomiales existe el caso de

polinomios de dos o mas variables. Uno de los mayores inconvenientes que existen en estos

casos es el checar el criterio en algún ejemplo numérico. Una manera de atacar esta

problemática fue reducir las variables de dos a una variable, entonces derivar una matriz lápiz

a partir de la linealización de la matriz polinomial y computar la distribución de los valores

propios generalizados con respecto al círculo unitario con respecto a la matriz lápiz constante

y de dimensión finita.

En este caso la construcción de las matrices lápiz serán asociadas a retardos finitos. Para dar

una buena caracterización se necesita usar una distribución generalizada de valores propios

para una segunda matriz lápiz asociada a retardos infinitos.

Definición de una matriz lápiz y algunas de sus propiedades:

consideremos dos matrices reales: ., hhNM ×ℜ∈

1) La matriz lápiz CzNzM ∈+=Λ , es llamado simplemente dicotómica relativa al

circulo unitario si no tiene valores propios en el círculo unitario.

2) La matriz lápiz CzNzM ∈+=Λ , es llamada dicotómicamente separable relativa al

círculo unitario si existe r valores propios hrrii <≤= 1,,1,λ tal que 1>iλ , para

toda ri ,1= , y para toda 1,,1 <+= ihrj λ (i.e. r valores propios fuera del círculo

unitario y todos lo otros dentro del círculo unitario). Además, si rh 2= , entonces la

matriz lápiz es llamada simétricamente dicotómicamente separable relativa al círculo

unitario.

Ahora, a partir de la ecuación diferencial funcional lineal con retardo se obtienen las

siguientes matrices lápiz:

.2,1=+=Λ iNzM iii (1.24)

donde )()(22

)2()2(11 ,,

22 nnnnnnnn dddd NMNM ×× ℜ∈ℜ∈ son dadas por:

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23

=

nn

n

n

n

IAI

II

M

d000

000

000000

2

2

2

1

L

L

O

L

L

,

−−

=

−+−+−− 121

1

2

2

2

000

000000

dddd nnnn

n

n

n

BBBBI

II

N

L

L

O

L

L

,

=

n

n

n

n

AI

II

M

000000

000000

2

L

L

O

L

L

,

−−

=

−− 1221

2

0000

00000000

dd nn

n

n

n

AAAAAI

II

NL

O

L

L

,

con ( )1,1 ),,1( −==− didk niBnkB dado por:

,

, ,

0T

niiTknk

AAB

IABAIB

⊕=

⊗=⊗=− (1.25)

donde ⊕⊗ , son el producto y la suma de Kronecker. Según [18] la matriz lápiz )(1 zΛ es

asociada al caso de retardos finitos y )(2 zΛ al caso de retardos infinitos.

Sea )(Λσ el conjunto de valores propios de una matriz lápiz Λ y sea ( ) ( )21 Λ−Λ= σσσ a

(i.e los valores propios generalizados de la matriz lápiz 1Λ , los cuales no son valores propios

de matriz lápiz 2Λ ).

Con estas notaciones y definiciones, los resultados son los siguientes:

Teorema 1. ESTABILIDAD INDEPENDIENTE DEL RETARDO

Las siguientes postulados son equivalentes.

(i) El triplete Σ es asintóticamente estable, independiente del retardo.

(ii) El par ( )dAA, y la matriz polinomial son asintóticamente estables.

( ) ( )∑−

=

−−

+− ++++⊗=

1

10

21 )(

nd

i

ink

inkn

ndnnn

dd

d

d

dzBzBBzBzIAzP (1.26)

no tiene raíces en el círculo unitario; o si las tiene, todas las raíces 0z de )(1 zP en el círculo

unitario son raíces de la matriz polinomial )(2 zP :

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24

donde

.)(1

2 ∑=

+=dn

k

kk zAAzP (1.27)

(iii) El par ( )dAA, es asintóticamente estable y la Matriz Lápiz 1Λ es

dicotómicamente separable relativa al círculo unitario, ó si no, todos los valores

propios generalizados de 1Λ en el círculo unitario son valores propios de 2Λ .

Por lo tanto 1Λ y 2Λ son la linealización de las matrices polinomiales )(1 zP y )(2 zP

respectivamente. Así que todos los resultados que se obtengan en el marco de matrices lápiz

pueden convertirse a un marco polinomial y a la inversa. Definitivamente para propósitos

computacionales es preferible la formulación en el marco de matrices lápiz.

Teorema 2. ESTABILIDAD DEPENDIENTE DEL RETARDO.

Los siguientes postulados son equivalentes:

i) El triplete Σ es asintóticamente estable para [ )r,0∈τ .

ii) El par ( )dAA, es asintóticamente estable y la matriz lápiz 1Λ tiene por lo menos

un valor propio generalizado 0z sobre el círculo unitario el cual no es un valor

propio de la matriz lápiz 2Λ . Además la cota óptima sobre el tamaño del retardo

esta dada como:

id k

k

ninnk ωα

τ≤≤≤≤

=121

* minmin2

(1.28)

donde [ ] aj

kke σπα α ∈∈ − ,2,0 y

ikjω es un valor propio de la matriz compleja:

∑=

−+d

k

n

i

ijkieAA

1

α . (1.29)

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25

1.10.2 En el dominio del tiempo

SEGUNDO METODO DE LYAPUNOV.

Existen dos maneras de desarrollar el segundo método de Lyapunov para sistemas con

tiempo de retardo.

• Uno se basa en la teorías funcionales de Lyapunov-Krasovskii.

• El otro en la teoría de funciones de Lyapunov-Rasumikhin.

1.10.2.1 Método funcional de Lyapunov Krasovskii.

Aquí se presenta el caso de un sistema invariante en el tiempo y de un simple retardo.

Criterio para el tipo de independiente del retardo. Se considera primero un triplete

( ),,, τdAA=∑ incluyendo un simple retardo y se presenta el siguiente funcional de

Lyapunov-krasovskii:

>>+++= ∫−

0 ,0)()()()()(

0

SPdtSxtxtPxtxxV TT

t τθθθ (1.30)

tx es la restricción de ( )⋅x a [ ]tt ,τ− .

Aplicando este funcional se obtiene el siguiente resultado:

Proposición 1. El triplete ∑ es asintóticamente estable independientemente del retardo si

existe un triplete de matrices simétricas definidas positivas 0 ,0 >> SP y 0>R

satisfaciendo la ecuación de Riccati:

01 =++++ − RSPASPAPAPA Tdd

T (1.31)

Para detalles ver [19]. Una condición necesaria para la existencia de un triplete de matrices

positivas definidas es que la matriz A sea estable. El criterio se puede extender a sistemas con

retardo variables en el tiempo y sistemas con múltiples retardos.

1.10.2.2 Método de la función de Lyapunov-Rasumikhin

Aquí como en la presentación anterior, se presenta únicamente el caso para pruebas de

estabilidad independientes del retardo, para sistemas con un solo retardo variable en el tiempo

( ) )(rt ντ ∈ con 0>r pero arbitrario.

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26

Para este caso la función de Lyapunov-Rasumikhin es:

>=

0)()())((

PtPxtxtxV T

. (1.32)

Proposición 2. El triplete ))(,,( tAA d τ=∑ es estable independiente del retardo si unas de las

siguientes condiciones se satisface:

i) Existe una solución P simétrica y definida positiva para la siguiente desigualdad

de Ricatti:

,011 <+++ −− PPAPPAPAPA Tdd

T ββ (1.33)

ii) Existe una solución Q simétrica y definida positiva para la siguiente desigualdad

matricial:

,01 <+++ − BQQAAAQQA Tdd

T β (1.34)

donde β es un escalamiento positivo.

Semejante al caso anterior el criterio se puede extender al análisis de estabilidad dependiente

del retardo, para lo cual se han obtenido resultados para sistemas con un solo retardo, retardo

variable en el tiempo y sistemas con múltiples retardos.

Se ha concluido que las técnicas en el dominio del tiempo deberían aplicarse como sigue:

• Primero, comprobar si el sistema es estable independiente del retardo utilizando un

funcional de Lyapunov-Krasovskii.

• Segundo, si lo anterior falla, obtener una cota subóptima sobre el tamaño del retardo

utilizando la función de Lyapunov-Rasumikhin.

En el siguiente capítulo trata sobre el diseño de un regulador local, para compensar los errores

de modelado y el rechazo a disturbios, el cual forma parte del sistema de teleoperación

descrito en la Figura 1.11.

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27

CAPÍTULO 2

DISEÑO DE UN REGULADOR LOCAL

Introducción

Como se explicó en el capítulo 1 un sistema retroalimentado con teleoperación, tiene dos

posibles estructuras: aquella en la cual el bucle de control se encuentra en el lugar de

localización de la planta. En este caso lo único que se envía a través de las líneas de

comunicación son las señales comando; la segunda estructura es aquella donde el controlador

se localiza en el centro de comando y los lazos del bucle son cerrados usando uno o dos

canales de comunicación. La primera estructura es la más común, pero existen casos muy

particulares en las cuales se requiere de la segunda. Esto es, por ejemplo, cuando debido a

condiciones ambientales hostiles el controlador debe estar alejado de la planta o de sus

actuadores. Este es el que se analiza y se propone un diseño de un controlador, en este trabajo.

El problema más grave en esta estructura es la inestabilidad que se puede presentar debido a

los tiempos de retardo presentes tanto en la trayectoria directa como en la trayectoria de

retroalimentación.

2.1 Estructura de control

Para aminorar este problema, se propone el diseño de un controlador robusto a tiempos de

retardo, que mantenga la estabilidad del sistema con tiempos de retardo grandes. Otro

problema que se presenta debido a estos tiempos de retardo, es la respuesta lenta que pueda

tener el sistema a disturbios a la salida de la planta, para mejorar el funcionamiento en este

aspecto, se propone el diseñar un regulador robusto a incertidumbres aditivas de la planta

local. Por lo tanto, la estructura que se propone para este telecontrol se muestra en la Figura

2.1

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28

++

++++

++

=75.025.1

)15.0806.0(73.11

)3.0(73.11

)3.0(73.12

2

ssss

ss

ssdiagWa

Figura 2.1 Estructura de telecontrol.

Este capítulo es dedicado al proceso de diseño del regulador local robusto a la planta. En este

caso la planta bajo estudio es un robot de 3 GDL. El método de diseño usado en este caso es

la técnica de automatización H∞ .

2.2 Diseño de un regulador robusto local

Se busca un controlador cuyos objetivos son atenuar los efectos de incertidumbre de la planta

y atenuar los disturbios a la salida de la misma, para así alcanzar un sistema regulador

robusto.

En trabajos anteriores [7], se obtuvo tanto el modelo nominal de la planta Gn(s) que es una

matriz de transferencia de 33× , así como un modelo de la incertidumbre aditiva de la planta,

de la cual se derivó una matriz de peso )(sWa correspondiente. A continuación se muestra

esta matriz.

(2.1)

El diagrama a bloques del sistema propuesto para diseño H∞ del regulador se muestra en la

Figura 2.2. K(jω) es el controlador a diseñar, G(jω) es la planta nominal y las funciones de

peso Wa(jω), Wd(jω), W1(jω), W2(jω), que se muestran en la Figura 2.2 respectivamente:

Wa(jω) la función de peso de la incertidumbre tal que 1)()( <∆∞

ωω jjW aa para una

incertidumbre acotada βω <∆∞

)( ja

Wd(jω) modela el sistema generador de disturbios que afectan a la sensibilidad de la

planta.

Centro de comandos ( )tr G Kc

y (t) KL

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29

W1(jω) permite resaltar aquellas señales que son de interés para verificar el funcionamiento

del sistema.

W2(jω) es un sistema en el cual se define el comportamiento de la señal de control tal que se

evite la saturación de los actuadores.

Figura 2.2 Diagrama a bloques del sistema de control.

Del diagrama anterior las salidas objetivo y las señales externas son:

=

2

1

zzz

za

=

dw aω

Por lo que el sistema se puede representar como

Figura 2.3 Diagrama a bloques estándar.

Siendo P(s) la planta aumentada definida a través de:

K(jω) G(jω)

W2(jω)

Wa(jω)

W1(jω)

Wd(jω)∆a(jω)

z2

z1

za

yg y

ωa

u

yd

d

P(s)

K(s)

z w

y u

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30

GudWyuWz

GuWdWWWzuWz

da

da

aa

−−−==

++==

ω

ω

22

1111

ó matricialmente como:

−−−

=

ud

GWIW

GWWWWW

yzzz

a

d

d

aa ω

2

111

2

1

00

00

(2.2)

Obtener la realización de esta planta directamente es muy complicado pero esto se facilita si

se basa en las realizaciones de cada componente, como sigue [8]:

=

gg

gg

DCBA

G ,

=

aa

aaa DC

BAW ,

=

dd

ddd DC

BAW ,

=

11

111

WW

WW

DCBA

W ,

=

22

222

WW

WW

DCBA

W .

Del diagrama a bloques del sistema retroalimentado de la Figura 2.2 obtenemos las siguientes

ecuaciones de estado:

uBxAx gggg +=& uDxCy gggg +=

uBxAx aaaa +=& uDxCz aaaa +=

dBxAx dddd +=& dDxCy dddd +=

)(1111 adgWWWW yyBxAx ω+++=& )(1111 adgWWW yyDxCz ω+++=

uBxAx WWWW 2222 +=& uDxCy WWWW 2222 +=

agd yyy ω−−−=

se define el nuevo vector de estados como:

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31

=

2

1

W

W

d

a

g

xxxxx

x

eliminamos la variable yg y obtenemos la realización de la planta aumentada.

uDwDxCyuDwDxCz

uBwBAxx

22212

12111

21

++=++=

++=&

u

BDB

BB

dDBB

B

xxxxx

AACBCB

AA

A

xxxxx

W

gW

a

g

a

dWW

d

W

W

d

a

g

W

WaWgW

d

a

g

W

W

d

a

g

+

+

=

2

111

2

1

2

111

2

1

0

00

00000

000000000000000000

ω

&

&

&

&

&

uD

DDD

dDDD

xxxxx

CCCDCD

C

zzz

W

gW

aa

gWW

W

W

d

a

g

W

WdWgW

aa

+

+

=

2

111

2

12

111

2

1

00

00

0000000000

ω

[ ] [ ] uDd

DI

xxxxx

CCy ga

d

W

W

d

a

g

dg −+

−−+

−−=ω

2

1

000 (2.3)

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32

2221

1211

PPPP

K

z w

y u

Volviendo a la Figura 2.3 y particionando la planta aumentada como:

=

2221

1211)(PPPP

sP ,

quedando como se muestra en la Figura 2.4

Figura 2.4 Planta aumentada particionada

donde:

=

00

00

1111 dWWWP

=

2

112

WGW

WP

a

[ ]dWIP −−=21 [ ]GP −=22

Se busca obtener la matriz de función de transferencia o matriz de transferencia wzℑ de las

señales externas w a las señales objetivo z. Esto se puede realizar usando una transformación

fraccional lineal sobre el sistema mostrado en la Figura 2.4 que para este caso seria.

( ) 211

221211 PKPIKPPwz−−+=ℑ (2.4)

la cual substituyendo las submatrices ijP se obtiene:

−−

−−=ℑ

d

d

daa

wz

KSWWKSWSWWSWKSWWKSW

22

11 (2.5)

Con esto ahora es posible plantear el problema ∞H el cual consiste en obtener un controlador

estable K(jω) que minimice la norma-∞ de wzℑ y mantenga estable al sistema en bucle

cerrado esto es:

∞ℜ∈ℑwz

sKmin

)( (2.6)

De wzℑ se derivan las siguientes condiciones de estabilidad y funcionamiento:

Estabilidad robusta se logra si:

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33

1<KSWa (2.7)

Funcionamiento nominal o para este caso regulación robusta se alcanza si :

[ ] 12

1,, 21

<−

=d

ddzz KSWW

SWWT (2.8)

y Funcionamiento Robusto se logra si:

1<ℑ∞wz (2.9)

La condición de funcionamiento nominal es utilizada por Khargoneckar [9] para el diseño de

un regulador robusto de un sistema sin incertidumbre.

2.3 Relaciones para determinar la calidad del diseño:

Una vez diseñado el controlador K(s) el regulador quedará como se observa en la Figura 2.5:

Figura 2.5 Sistema de control en lazo cerrado.

Donde G(s) es la matriz de transferencia real de la planta esto es aan WsGsG ∆+= )()( . A

partir de este diagrama encontramos las siguientes relaciones, cuyas respuestas mostrarán si se

alcanzaron o no las especificaciones de diseño.

a) Relación de la salida al disturbio

dGKydGKy

yGKdy

1)1()1(

)(

−+=

=+−+=

definiendo: 1)1( −+= GKSo

entonces:

dSy o= (2.10)

K(S) G(s)-y u

d

y +

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34

donde oS es la matriz de sensibilidad de salida.

b) Relación de la señal de control al disturbio:

KdKGuKdKGu

GudKuGudyyKu

1)1()1(

)(

)(

−+−=

−=++−=

+=−=

definiendo 1)1( −+= KGSi

entonces

KdSu i= (2.11)

donde iS es la matriz de sensibilidad de entrada.

Entonces para un buen rechazo de disturbio a la salida de la planta se requiere que la ganancia

del lazo ( oLGK = ) sea grande en el rango de frecuencias donde el disturbio es significativo,

esto es se busca 1)( >>oLσ donde σ es el valor singular más pequeño de oL .

En resumen, un buen funcionamiento requiere que en rangos de frecuencias baja (0,ωl),

donde lω es la frecuencia de cruce por cero de la planta, se cumpla lo siguiente:

11 ,1)( >>>>>> (K), (KG) GK σσσ (2.12)

por otro lado la ganancia de bucle deberá de desenrollar con una pendiente decdB 20−< a

frecuencias altas ( )hωω > , para tener un buen margen de estabilidad. Comúnmente esto se

logra con un controlador )( ωjK que muestre estas características.

En la parte de frecuencias intermedias la pendiente de la ganancia de lazo oL deberá de ser

de decdB 20− en el cruce de la línea de dB/dec 0 .

Estos requerimientos de diseño se muestran gráficamente en la Figura 2.6:

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35

Figura 2.6 Ganancia de lazo deseada

2.4 Procedimiento de diseño del regulador en el marco H∞.

Una vez establecidas las características para prueba de funcionamiento de nuestro sistema, a

continuación se describe el procedimiento ∞H .

1. Primeramente se detecta el rango de frecuencias donde se encuentren las dinámicas de

los disturbios que se desea rechazar, y se define una función Wd que modele estas

dinámicas.

2. Posteriormente se definen las funciones de peso W1 y W2 las cuales resalten aquellas

señales de interés que permiten verificar el funcionamiento del sistema y evitar la

saturación de los actuadores.

3. Se procede a utilizar las funciones del Robust Control Toolbox de Matlab, para

encontrar una ley de control para el diseño.

4. Se verifica que la nueva ley de control obtenida, cumpla con lo siguiente: con las

especificaciones de funcionamiento establecidas por la ganancia del lazo, que tenga un

buen rechazo a disturbio, que la señal de control no sature a los actuadores. Satisfaga

las pruebas de estabilidad robusta, funcionamiento nominal y funcionamiento robusto

anteriormente establecidas.

ωl ωh

logω

)(Lσ

)(Lσ

Magnitud

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36

5. Si esto no es así, se modifican las funciones de peso W1 y W2 y se realiza el paso 3, y

así sucesivamente hasta encontrar la ley de control deseada.

En el caso que no se encuentre una ley de control que satisfaga las especificaciones de

funcionamiento y pruebas establecidas, se realiza de nuevo un modelo de las dinámicas de las

perturbaciones siendo menos exigentes y ambiciosos.

2.5 Determinación de las funciones de peso.

Como primer intento de diseño del regulador se propusieron las siguientes funciones de peso,

que corresponden a las funciones de peso que se encuentran en el diagrama a bloques

propuesto para el diseño del regulador del sistema en cascada.

Las funciones de peso propuestas son propias y de primer grado con el propósito de

mantener un bajo grado de complejidad. La única excepción es la función de peso Wa que

contiene un término cuadrático.

2.5.1 Función de peso Wd.

Se definen las dinámicas de los disturbios como sigue.

Ya que los disturbios que se pretende rechazar son de baja frecuencia, tipo escalón

principalmente se propone para Wd un filtro pasabajos tipo red de atraso con alta ganancia a

CD (Corriente Directa) y una frecuencia de cruce por cero de 35.0≅ próxima a la frecuencia

de cruce de la planta de la forma (2.12), como se muestra en la Figura 2.7.

31500

1401200

)( Is

ssWd +

+

= (2.13)

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37

Figura 2.7 Función de las dinámicas de los disturbios.

La presencia de disturbios tipo escalón en nuestro robot provoca que las señales comando en

el sistema en bucle abierto tenga una desviación como se muestra en la Figura 2.8

Figura 2.8 Desviación de las señales comando en nuestro robot en presencia de disturbios.

Definiendo el error entre bθ y cθ como

( ) ( )tt cibiie θθθ −≅= 3,2,1max (2.14)

donde

=

3

2

1

b

b

b

b

θθθ

θ y

=

3

2

1

c

c

c

b

θθθ

θ (2.15)

a

bc

y

x

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38

2.5.2 Función de peso W1.

El inverso de la función de Peso W1 deberá de modelar a la función de sensibilidad ya que la

función de sensibilidad está cercanamente relacionada con los objetivos de funcionamiento

esto es, que la norma de la función de sensibilidad debe mantenerse en un nivel bajo en el

rango de las bajas frecuencias donde los disturbios son significantes [8]. También es necesario

11 ≤SW , esto es que la salida sea insensible a variaciones o incertidumbres de la planta esto

se puede ver de wzℑ . Los requerimientos de funcionamiento de la función de sensibilidad

para el caso escalar pueden ser representados aproximadamente por:

ωωωεω

∀=+

+≤ , ,)( js

Msss

sSb

b (2.16)

donde

Ms es el pico de la función de sensibilidad o su ∞

S . El valor de Ms en un buen diseño de

control no debe de ser muy grande.

bω determina el ancho de banda de la función de sensibilidad.

ε es la ganancia a CD de la función de sensibilidad.

Estos requerimientos de funcionamiento pueden ser observados en la Figura 2.9.

Figura 2.9 Definición de la función de peso W1.

1

1W

)( ωjSbω

ε

1

Ms

logω

Magnitud

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39

Para encontrar los valores de ε , se propuso alcanzar una desviación máxima de °≅ 1θ para

un disturbio que provoca una desviación de 15° en bucle abierto. Por lo tanto W1 deberá de

tener una ganancia de 15 a CD para una frecuencia de cruce de 28.0≅ .

Por lo tanto W1(s) se propone de la forma:

( ) I 31 ⋅+

+=

εωω

b

b

sMss

sW (2.17)

se propone una 1W con una alta ganancia en las bajas frecuencias. Esto es 15/1=ε ,

28.0≅bω . Esto lleva a la siguiente W1(s):

++

++

++

=15.0

)1003.0(151100

)1045.0(151100

)1045.0(151 s

ss

ss

sdiagW (2.18)

cuya gráfica se muestra en la Figura 2.10.

Figura 2.10 Valores singulares de la función de peso W1.

´

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40

2.5.3 Función de peso W2.

La señal de control u está dada por KSd , donde d(s) es el disturbio [8]. En las bajas

frecuencias la señal de control puede llegar a saturar los actuadores. Una función de peso W2

evitará que los actuadores se saturen si el inverso de la función W2 modela la magnitud de

KS como se muestra en la Figura 2.11.

Figura 2.11 Definición de la función de peso W2.

En la literatura [8] de diseño de controladores robustos se recomienda que W2(s) sea de la

forma

bc

bc

sMus

Wωε

ω+

+=

12 (2.19)

donde

Mu es la máxima ganancia ya que la señal de control puede llegar a saturar los

actuadores.

bcω y 1ε limitan el ancho de banda y la ganancia en las altas frecuencias como los ruidos de

las sensores.

Para nuestro caso se escogió un filtro pasa altas de ganancia a CD de 1/800, esto es 800=Mu

con una frecuencia de cruce por cero 30=bω y un =ε 25. esto lleva a la siguiente W2.

2

1W

)( ωjKSbcω

Mu

Magnitud

logω

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41

32

17531800

)14.26( Is

sW

+

+= (2.20)

Cuya gráfica se muestra en la Figura 2.12

Figura 2.12 Función de peso W2.

2.6 Pruebas de simulación

A continuación se presentan resultados gráficos, los valores singulares del controlador que se

obtuvo en el diseño, la función de sensibilidad, pruebas de estabilidad robusta,

funcionamiento nominal y respuesta en el tiempo a un disturbio de tipo escalón a la salida de

una magnitud de 100, para diferentes W1 y W2. Es importante señalar que las modificaciones

efectuadas en las funciones de peso fueron solamente en sus ganancias, para conservar un

grado de complejidad bajo.

2.6.1 Pruebas con W1.

Para ver el efecto de la función de peso W1 sobre el regulador, cambiaremos las ganancias

del primer elemento que es W1,11 y W1,22 variando la magnitudes en 50, 70 y 90

respectivamente. Al aumentar las ganancias se obtuvo lo siguiente:

• Una mejora pequeña en la rapidez de respuesta al rechazo a disturbio en nuestra salida,

como se ve en la Figura 2.13 (a).

´

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42

• En ninguna de las ganancias se satisfacen las condiciones de funcionamiento nominal

ni de estabilidad robusta esto se observa en la Figura 2.13 (b).

Figura 2.13 (a) Respuesta de rechazo al disturbio; (b) Pruebas de funcionamiento nominal y estabilidad robusta.

• En la función de sensibilidad observamos pocos cambios en las bajas frecuencias, ver

Figura 2.14 (a).

• En el controlador se observan cambios únicamente en las altas frecuencias, ver Figura

2.14 (b).

Figura 2.14 (a) Valores singulares de la función de sensibilidad; (b) Valores singulares del controlador.

(a) (b)

V V

(a) (b)

R P

Gra

dos

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43

Manteniendo las ganancias de W1,11 y W1,22 en 40 y 100 respectivamente, se variaron las

magnitudes del tercer elemento de la función de peso W1 en magnitudes de 5, 10 y 20 y se

obtuvieron los siguientes resultados.

• No hubo cambios en el controlador en el rango de frecuencia de trabajo.

• La función de sensibilidad sufrió pequeños cambios entre el rango de frecuencias de

10-2 y 100, observándose un corrimiento de la frecuencia de cruce por cero hacia hacia

las bajas frecuencias

Figura 2.15 (a) Valores singulares del controlador; (b) Valores singulares de la función de sensibilidad.

• No modifica las pruebas de estabilidad robusta y funcionamiento nominal como se

puede ver en la Figura 2.16.

Figura 2.16 Pruebas de estabilidad robusta y funcionamiento nominal.

(a) (b)

V V

P

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44

En general se concluye que este diseño es poco sensible a variaciones de ganancia en los

elementos de W1.

2.6.2 Pruebas con W2.

También en este caso se ajustaron las ganancias de los tres elementos de la función de peso

W2 usando los valores de ganancia de: 1/10, 1/405 y 1/800 y se obtuvieron los siguientes

resultados:

• Al aumentar la magnitud de W2 la caída (roll-off) del controlador de 40 dB/dec pasa a

ser de 20 dB/dec, pero no sufre ningún cambio a las bajas frecuencias como se observa

en la Figura 2.17(a).

• En la función de sensibilidad, se provoca un ligero corrimiento hacia las altas

frecuencias del punto de cruce por cero decibeles de 0.0012 rad/seg.

Figura 2.17 (a) Valores singulares del controlador; (b) Valores singulares de la función de sensibilidad.

• Tanto las condiciones de la función nominal como de estabilidad robusta no mejoraron

significativamente y siguen sin cumplirse, ver Figura 2.18(a).

• Al aumentar las ganancias de W2, provoca que la respuesta al disturbio sea mas

rápida.

(a) (b)

V V

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45

Figura 2.18 (a) Pruebas de estabilidad robusta y funcionamiento nominal; (b) Respuesta al disturbio.

Se concluye que la ganancia de W2 a CD tampoco sirve como un parámetro de diseño

significativo ya que el diseño es poco sensible a la misma.

Siguiendo con el procedimiento de diseño del regulador, en el cual no se obtuvieron los

resultados deseados con las funciones propuestas de Wd, W1 y W2 se procede a seleccionar

una nueva función Wd menos exigente, realizando de nuevo el paso 3 y 4 del procedimiento

hasta encontrar una ley de control que cumpla con las pruebas establecidas.

2.6.3 Selección de una nueva función de peso Wd.

En la primera función de peso Wd propuesta, se observa que la magnitud de los disturbios que

se deseaban rechazar en las bajas frecuencias fue de aproximadamente de 46 dB. Haciendo un

análisis de la planta (robot de 3 GDL), se observa que en las dos primeras articulaciones la

presencia de disturbios es menor ya que el movimiento que realizan es horizontal en cambio

la articulación número tres realiza un movimiento vertical, donde la presencia de los

disturbios se presenta en mayor medida. Tomando en cuenta las características de

construcción de la planta anteriormente descritas, se propuso una nueva función Wd que

modele en una forma más fiel las dinámicas de los disturbios que se desean rechazar, es decir:

(a) (b)

P R

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46

+

+

+

+

+

+

=1800

1100

540

1800

1100

5

1800

1100

5

)(s

s

s

s

s

sdiagsWd (2.21)

En esta nueva función se manifestó más el efecto de integración al disminuir más la

frecuencia de esquina a las bajas frecuencias de 1/500 a 1/800 y se disminuyeron

drásticamente las ganancias a CD de 11dW y 22dW a 1 mientras que la ganancia a CD de 33dW

se ajustó a 40, esto trajo como se consecuencia en que la frecuencia de cruce de cero bajara

casi dos décadas a un valor de 0.06 rad/seg como se puede ver en la grafica de la Figura 2.19:

Figura 2.19 Dinámica de los Disturbios.

Utilizando la nueva función Wd, y ajustando la ganancia de CD de )(1 sW con el

procedimiento de simulación procederemos a obtener a través de simulaciones, las funciones

de peso W1 y W2 más convenientes, que puedan cumplir con las especificaciones de diseño y

pruebas establecidas, aplicando los criterios ya descritos. Esto lleva a modificar los polos de

la función de peso W1, manteniendo una función de sensibilidad aceptable. Las funciones de

pesos obtenidas son las siguientes:

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47

+

+

+

+

+

+

=

+

+=

++

++

++

=

++

++++

++

=

1800

1100

540

1800

1100

5

1800

1100

5

)(

17531800

)14.26(166.66

)1003.0(201100

)104.0(401100

)104.0(100

75.02.1)15.0806.0(73.1

1)3.0(73.1

1)3.0(73.1

32

1

2

2

s

s

s

s

s

sdiagsW

Is

sW

ss

ss

ssdiagW

ssss

ss

ssdiagW

d

a

(2.24)

Con ésto se obtuvo un controlador )(sK de orden 11.

Los resultados de este nuevo diseño se muestran a continuación y los resultados gráficos

obtenidos son los siguientes:

• En la Figura 2.20 se muestra que la prueba de estabilidad robusta se cumple,

asegurándonos que a pesar de las variaciones que puedan presentarse debido a la

incertidumbre aditiva de la planta, esta misma se mantendrá estable.

• También se muestra que la prueba de funcionamiento nominal se cumple,

asegurándonos que cuando se presente un disturbio a la salida de la planta nominal

éste será regulado.

Figura 2.20 Pruebas de estabilidad robusta y funcionamiento nominal.

(2.22)

(2.23)

(2.25)

10-3 10-2 10-1 100 101 102 1030

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1Estabilida Robusta y Funcionamiento Nominal

rad/sec

Estabilida RobustaFuncionamiento Nominal

Mag

nitu

d

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48

10-3 10-2 10-1 100 101 102 10310-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

103Valores singulares del Regulador

rad/sec

• En la figura 2.21 la prueba de funcionamiento robusto se cumple, asegurándonos que

el sistema se mantendrá estable a las variaciones paramétricas (incertidumbre tipo

aditiva) y regulará cualquier disturbio presente en la salida de la planta, siempre y

cuando éste disturbio se encuentre dentro del modelo de la función Wd .

Figura 2.21 Prueba de funcionamiento Robusto.

• En la Figura 2.22 el controlador multivariable obtenido tiene las características de un

integrador, sin embargo, en la respuesta al disturbio mostrado en la Figura 2.24 se

observa un pequeño error en estado estacionario.

Figura 2.22 Valores singulares del regulador.

• En la Figura 2.23 se muestra la función de sensibilidad obtenida que cumple con los

objetivos de funcionamiento ya que se mantiene en un nivel bajo en el rango de

frecuencias, donde los disturbios son significantes y la norma de la función de

10-3 10-2 10-1 100 101 102 10310-3

10-2

10-1

100Funcionamiento Robusto

rad/sec

Mag

nitu

d M

agni

tud

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49

sensibilidad se encuentra por debajo del inverso de la norma de W1, como se muestra

en la Figura 2.25.

Figura 2.23 Valores singulares de la función de sensibilidad.

• En la Figura 2.24 se muestra la respuesta al disturbio del sistema controlado, donde

se observa un error en estado estacionario °≅ 15.0 en la segunda y tercera

articulación, y un error de cero en la primera.

Figura 2.24 Respuesta al disturbio del sistema controlado para disturbios con magnitudes de -2º, 4º, y –10º para las articulaciones 1, 2 y 3 respectivamente.

Para comprobar que el diseño satisface la condición de que SW >11 , esta función se

muestra la Figura 2.25.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4Respuesta a un disturbio del sistema controlado

sec

grad

os

Articualcion 1Articulacion 2Articualcion 3

Gra

dos

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50

Figura 2.25 Función de sensibilidad y el inverso de la norma de W1.

2.7 Experimentación

A continuación se mostrarán los resultados gráficos obtenidos a través de la experimentación,

al utilizar el controlador de orden reducido diseñado con las funciones de peso anteriormente

descritas.

2.7.1 Seguimiento

La experimentación consistió en dar una señal de referencia tipo escalón a cada una de las

articulaciones de nuestro robot (Robix) que son las siguientes:

Articulación #1: 60º.

Articulación #2: 45º.

Articulación #3: 20º.

Se procedió a obtener la gráficas de la señal de salida del robot, la señal de control aplicada al

robot y la señal de error las cuales se muestran a continuación en las Figuras 2.26 a), b) y c)

respectivamente.

V

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51

Figura 2.26 (a) Señal de salida del robot; (b) Señal de control; (c) Señal de error. Las unidades están dadas en grados.

Se observa un seguimiento de la señal de referencia con un error en estado estable de cero en

la articulación dos y tres, y aproximadamente 1° en la articulación uno.

2.7.2 Regulación

Se realizó de nuevo este experimento con las mismas señales de referencia pero se añadió un

peso en el extremo de la articulación número 3 de aproximadamente 250gr., obteniéndose los

resultados mostrados en la Figura 2.27.

(a) (b)

(c)

Gra

dos

Gra

dos

Gra

dos

Segundos

Segundos

Segundos

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52

Figura 2.27 (a) Señal de salida del robot; (b) Señal de control; (c) Señal de error.

Al añadir una carga, observamos en las gráficas el esfuerzo de la regulación tanto en la señal

de salida del robot como en la señal de control, principalmente de la articulación 3, al vencer

el par de gravedad presente con la carga. Se observa en este caso un error en estado estable en

las 3 articulaciones de °≅ 1 , valor que está dentro de lo esperado.

En el capítulo 3 se diseñará el segundo controlador Kc de la estructura de teleoperación de la

Figura 2.1, éste deberá hacer al sistema de teleoperación tenga un funcionamiento robusto, en

presencia de tiempos de retardo en las líneas de transmisión.

(b)(a)

(c) Segundos

Segundos Segundos

Gra

dos

Gra

dos

Gra

dos

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53

CAPÍTULO 3

DISEÑO PARA LA ATENUACIÓN DE LOS TIEMPOS DE RETARDO

Introducción

Como se había mencionado en el capítulo 1, el fenómeno de los tiempos de retardo en los

bucles de control, principalmente en sus canales de comunicación, en los sistemas de

teleproceso, producen efectos, que afectan las características de estabilidad como su respuesta

a comandos y a disturbios. En este mismo capítulo se propuso un sistema de control de dos

controladores en cascada, discutiéndose las ventajas y desventajas que este tipo de control

tiene.

En el capítulo 2 se obtuvo un regulador robusto LK a incertidumbre aditivas de la planta local,

y con este mismo rechazar los disturbios que pueda tener el sistema a la salida y mostrándose

los resultados obtenidos, tanto computacional como experimentalmente. En este capítulo se

considera el análisis y diseño de un control remoto para la planta regulada, la técnica de

diseño para diseñar este control es a través de la técnica síntesis-µ. Los objetivos de diseño

que se buscan en este control son: hacer que la planta regulada sea robusta a los tiempos de

retardo presentes en las líneas de transmisión, que la salida y(t) siga fielmente o rastree

señales comando y que el sistema sea robusto al ruido presente en los sensores

(servopotenciómetros). Considerándose el diagrama o estructura del sistema controlado,

mostrado en la Figura 3.1.

Figura 3.1 Sistema de control en cascada.

Controlador Remoto

( )tr G Kc y (t)

KL

Planta Regulada

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54

3.1 Tiempos de retardo

Los canales de comunicación introducen retardos tanto en la dirección directa como en la

retroalimentación, por lo que esto lleva a representar el diagrama anterior con un modelo de

estos retardos, como se muestra en la Figura 3.2.

Figura 3.2 Sistema de control con tiempos de retardos.

Donde cK es el control que se busca diseñar para atenuar los efectos de los tiempos de

retardo y alcanzar un seguimiento asintótico en la salida y(t) de la entrada comando r(t), τse− son los retardos en la línea de transmisión, )(sM es la planta regulada en el lugar

remoto que se obtuvo en el capítulo 2.

Para propósitos de análisis y diseño se agrupan los retardos en un solo bloque. Por lo cual el

bloque de retardo inferior se mueve alrededor del lazo quedando la representación final de la

manera mostrada en la figura 3.3.

Figura 3.3 Sistema de teleoperación.

Donde τse 2−

representa los dos retardos de la línea tanto directa como de retorno.

KL G rref τse−

τse−

cK

)(sM

r(t) τse 2−)(sKc)(sM

y(t)

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55

3.2 El retardo como incertidumbre

En el caso general, los sistemas de comunicación presentan retardos variables y aleatorios. En

este caso asumimos que el retardo es desconocido pero acotado es decir cττ < donde cτ es

la cota superior.

Como se vió en el capítulo 2, la incertidumbre de modelo en la planta puede representarse en

la forma aditiva como:

)()()( ssGsG n ∆+= (3.1)

donde nG es una planta nominal y )(s∆ representa la incertidumbre no-estructurada del

modelo. Pero también una planta con incertidumbre se puede representar de la forma

))(()( sIGsG n ∆+= (3.2)

que es una representación multiplicativa de la incertidumbre a la entrada de la planta .

El diagrama de bloques de la ecuación (3.2) se representa como, Figura 3.4:

Figura 3.4 Incertidumbre multiplicativa a la entrada de la planta. Donde

)())(()( susIGsy n ∆+= (3.3)

Tal que 1)( <∆∞

s .

Volviendo al sistema con retardo, este se puede tomar como una planta o sistema )(sM con

retardo, como se muestra en la Figura 3.5.

Figura 3.5 Planta con retardo en la Línea de Transmisión.

τse 2− )(sMu(s) ym(s)

∆(s)

Gnu(s) y (s) +

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56

donde

)()()( 2 susMesy sτ−= (3.4)

comparando estas dos ecuaciones (3.3) y (3.4) con )(sMGn = se tiene que

)(2 sIIe s ∆+=− τ (3.5)

por lo que la incertidumbre multiplicativa para este caso es de la forma:

Ies s −=∆ − τ2)( (3.6)

donde τ es incierto pero acotado. Por lo tanto la incertidumbre de los tiempos de retardo se

pueden tomar dentro del modelo de una incertidumbre de tipo multiplicativa a la entrada.

En este caso 1)( 2 −=∆ − ωτω jej . Ahora se buscará una función de peso )( ωjWo de la

incertidumbre tal que 1<∆oW , la cual servirá para el diseño robusto a estas clases de

incertidumbres, es decir, a la incertidumbre en el tiempo de retardo τ . Esto en diagramas a

bloques se muestra en la Figura 3.6.

Figura 3.6 Diagrama a bloques de la incertidumbre multiplicativa. Para hacer esto se construyeron una familia de curvas de )( ωj∆ para diferentes valores de τ

( )10≤τ y después se obtuvo una matriz de peso )( ωjWo tal que su máximo valor singular

sea una cota superior a la familia de curvas. Esto se muestra en la Figura 3.7.

A partir de esta gráfica se obtuvo una función de peso W0 tal que )( ωjWo sea una cota

superior de )( ωj∆ de la forma:

Wo(s)

u(s) ym(s)

∆(s) ωa

za

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57

Figura 3.7 Función de peso Wo.

Donde la )(sWo que se obtuvo es de la forma [6]:

3

3

)1)(4.0()2)(10089.0(2387.2)( I

sssssWo ++

+×+=

(3.7)

3.3 Análisis en la frecuencia para 3IKc =

Para propósitos de determinar valores de los rangos de los tiempos de retardo τ para los

cuales el sistema teleoperado continúe siendo estable independiente del retardo, se procedió a

hacer el siguiente análisis experimental.

Partiendo del sistema teleoperado de la Figura 3.2, consideramos al controlador Kc como una

matriz identidad. Al hacer un análisis del sistema controlado descrito por M se encontró que

este es un sistema de la forma siguiente:

=

)()(300

0)()(20

00)()(1

sdensnum

sdensnum

sdensnum

M (3.8)

Gan

anci

a dB

F

´

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58

donde el denominador es común en los tres elementos. Ésto comprueba que con el diseño del

controlador KL se logró obtener independencia entre las articulaciones del robot,

permitiéndonos hacer una análisis de estabilidad de cada una de ellas en forma independiente.

El análisis se hizo en el dominio de la frecuencia por medio de las gráficas de Bode de cada

una de las articulaciones. Se encontró que el margen de fase de las articulaciones 1 y 2 es

muy grande indicándonos una gran robustez en estas dos articulaciones, en la articulación

número 3 se encontró un margen de fase MF=124º lo cual indica también una muy buena

robustez pero en menor medida, su frecuencia de cruce ωc es igual a 0.28 rad/seg. por lo tanto

la contribución de fase del retardo τse 2− igual a ωτ2− deberá de ser de 124° o 2.1642 rad a

la frecuencia de 0.28 rad/seg para que el sistema sea inestable, esto es:

τω 216422 c=. (3.9)

por lo que el valor del retardo que produce inestabilidad, para este caso es:

...

. seg 8643560

16422==τ (3.10)

es debido a este valor de retardo que se propuso determinar familias de curvas de

incertidumbre de valores de τ de hasta 10 seg. con el propósito de buscar un controlador cK

que extienda la estabilidad robusta y funcionamiento a valores más grandes de seg. 864.3=τ

3.4 Procedimiento de diseño

Los objetivos de control o funcionamiento que se buscan alcanzar en este diseño, son que

nuestra planta regulada obtenida en el capítulo 2, sea robustamente estable a los tiempos de

retardo presentes en las líneas de transmisión del sistema teleoperado, extendiendo su

funcionamiento mas allá de seg. 864.3=τ , que la salida y(t) del sistema regulado siga

fielmente las señales comando r(t) , que el sistema sea robustamente estable, en presencia de

ruido en los sensores. La técnica de diseño a utilizar es síntesis-µ. Para alcanzar estos

objetivos de funcionamiento se propone el diagrama a bloques mostrado en la Figura 3.8.

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59

Figura 3.8 Interconexión del Sistema para alcanzar los objetivos de funcionamiento.

3.4.1 Funciones de Peso

Para alcanzar los objetivos de funcionamiento se obtuvieron las siguientes funciones de peso.

Estas funciones de peso se buscarán tal que fueran estables, propias y de orden bajo.

3.4.2 Función de peso de la incertidumbre multiplicativa Wo.

Como se explicó en la sección anterior la función de peso oW modela el espectro de potencia

de la incertidumbre de tipo multiplicativa. En donde se encuentra la incertidumbre del tiempo

de retardo en esta misma sección se mostró cómo se obtuvo esta función de peso.

3.4.3 Función de peso de la señal de error We.

Esta función de peso eW resalta las características del error, que indica qué tan bien funciona

el sistema como regulador y rastreador. Como especificación de funcionamiento se busca que

se obtenga un error en estado estable tanto en el rastreo de una señal comando como en el

rechazo de disturbios tipo escalón menor o igual a un 2%. Esto es posible de lograr si se

introduce un integrador. Ya que esto puede producir un controlador inestable, se sustituyó el

integrador con redes de retardo. Tanto la colocación del polo como la ganancia a CD de la red

de retardo se usaron como parámetros de sintonía del controlador. En particular el polo se

colocó dos o más décadas abajo de la frecuencia de ancho de banda de M(s) y la ganancia se

ajustó para satisfacer los requisitos de estado estable. Una función que se encontró que

satisfacía estas condiciones es

Kc

∆τ

M

Wo

Wn

We Wu

y r

n

ωa

+-

za

y

zu ze

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60

( )( ) 3

100210

1510I

s

s(s)We

+

+=

. (3.11)

la justificación de usar una matriz de transferencia (s)We con redes de retardo, también se

encuentra del análisis de la matriz de transferencia wzℑ . Buscando atenuar los efectos de la

incertidumbre sobre la señal de error, es claro que esto se logra si

1<∞

MSW ce (3.12)

ya que a las bajas frecuencias 1≅∞

M , entonces 1−eW deberá reflejar el comportamiento de

la función de sensibilidad cS , la cual como se sabe deberá de tener una alta atenuación a las

bajas frecuencias, para alcanzar un buen rechazo a disturbios a la salida. Esto lleva a que

(s)We deberá comportarse como un filtro pasa-bajos o una red de retardo, como se muestra en

la Figura 3.9.

Figura 3.9 Función de peso del error We.

´

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61

3.4.4 Función de peso de la señal de control Wu.

Esta función de peso uW se usa para modelar los límites de las señales de control, en

presencia de los diferentes funcionamientos, como el rastreo, atenuación de ruidos e

incertidumbre de los tiempos de retardo, para asi evitar la saturación de los actuadores. Para

este caso se propuso una simple atenuación 1/170 así uW es de la forma:

31701 IWu = (3.13)

3.4.5 Función de peso de la señal de ruido Wn.

Esta función de peso nW representa los modelos en el dominio de la frecuencia del ruido

presente en los sensores. Se encontró de mediciones directas sobre los servo potenciómetros

que las señales de ruido significativas producidas por estos elementos se encuentran a

frecuencias tres décadas arriba de la frecuencia de ancho de banda de ( )ωjM . Por lo anterior

se propuso como modelo un filtro pasa-altos de la forma (ver Figura 3.10):

( ) ( )380

42 IsssWn +

+= (3.14)

Figura 3.10 Funciones de peso Wn y Wu.

´

´

´

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62

3.5 Valor singular estructurado µ

Definición 3.1. Para ( )MM nn∆

×∈ µ,C , es definido como [1]:

( ) ( ){ }0det 1

=∈∆∆=∆ I-M∆

M∆,:(min σ

µ (3.15)

al menos que ningún ∆∈∆ haga ∆− MI singular, en tal caso ( ) 0=∆ :Mµ .

3.5.1 La interpretación de ( )M∆µ en el sistema retroalimentado

Permita que nnM ×∈ C sea dado y considere ∆∈∆ una perturbación en el lazo como se

muestra en la Figura 3.11.

Figura 3.11 La interpretación de ( )M∆µ .

Que puede representarse con las ecuaciones

uvMvu∆=

= (3.16)

de lo cual se obtiene

( ) 0=∆− uMI

tan pronto como ∆− MI sea no-singular, la única solución para u y v en las ecuaciones es

0== vu . Sin embargo, si ∆− MI es singular, entonces habrá un número infinito de

soluciones para (3.15) y las normas de vu , de las soluciones serán arbitrariamente grandes.

Por lo tanto podremos llamar a la matriz del sistema retroalimentado “inestable”, de la misma

manera la estabilidad se alcanzará solamente cuando se tengan soluciones iguales a cero.

Entonces ( )M∆µ es una medida de la estructura mas pequeña de ∆ que causa la

“inestabilidad” de la matriz de retroalimentación mostrada anteriormente.

M

vu

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63

Entonces el valor singular estructurado puede ser una medida de robustez ya que si ( )M∆µ

es grande significa que el ( )∆− MIdet será igual a cero para una perturbación pequeña, es

decir, el sistema no es robusto a estas perturbaciones.

3.6 Síntesis µ

Para poder aplicar la teoría del valor singular estructurado en el diseño del sistema de control,

el problema de control expuesto en la Figura 3.8 ha sido reestructurado en una

Transformación Fraccional Lineal (TFL) [8], [11] como se muestra en la Figura 3.12.

Figura 3.12 Transformación Fraccional lineal del sistema de control.

Donde P es la interconexión en lazo abierto, y contiene todas las funciones de peso

anteriormente descritas que permitirán alcanzar los objetivos de funcionamiento, incluyendo

el modelo de la planta regulada obtenida en el capítulo 2. El bloque ∆ representa la

incertidumbre del modelo tipo multiplicativa a la entrada de la planta, en este mismo bloque

se encuentra la incertidumbre de los tiempos de retardo. El controlador a diseñar es K.

El objetivo de diseño es encontrar un controlador K estabilizador, tal que para todas las

perturbaciones contenidas en ∆ el sistema en lazo cerrado es estable y satisface

( )[ ] 1,, ≤∆∞

KPFF UL (3.17)

de esta manera el sistema en lazo cerrado puede ser representado como (ver Figura 3.13)

( )[ ]KPFF UL ,, ∆ (3.18)

P

K

ωa

rn

za

e

u

zz

u y

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64

ó

Figura 3.13 Sistema en lazo cerrado ( )[ ]KPFF UL ,, ∆ .

Realizando la transformación fraccional superior ( )∆,PFU y definiendo las salidas objetivo y

las señales externas como:

=

e

u

a

zzz

z

=

rnw

aω (3.19)

el sistema puede ser representado como se muestra en la Figura 3.14:

Figura 3.14 Sistema en lazo cerrado con la planta perturbada.

Donde P∆ es la planta perturbada.

Para obtener la función de transferencia que relaciona el vector de salida z con el vector de

entrada w , wzℑ , se obtiene la transformación fraccional inferior wzℑ = ( )KPFL ,∆ o

obteniendo las ecuaciones que relacionan el efecto, en forma individual de cada una de la

P∆⇐

e

u

a

zzzz

rn

w

Kc

u y = e

P

K

ωa

rn

za

e

u

zz

u y

( )∆,PFU

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65

señales de entrada externa con el vector de salida z . Realizando este segundo método se

obtuvo el siguiente sistema de ecuaciones.

nWKSWrKSWMKSWz nccaccaaccaa −+−= ω

nWSWrSWMSWz nMeMeaMee −+−= ω (3.20)

nWKSWrKSWMKSWz nccuccuaccua −+−= ω

o matricialmente como

−−−−

−−=

nr

WKSWKSWMKSWWSWSWMSWWKSWKSWMKSW

zzz a

nccuccuccu

nMeMeMe

nccaccacca

u

e

a ω

4444444 34444444 21

(3.21)

wzℑ

A partir de esta matriz se obtiene lo siguiente:

Para propósitos de estabilidad Robusta se requiere que

1<−∞

MKSW cca (3.22)

para propósitos de rastreo y atenuación de ruido inducido se requiere que

1<−−

∞WKSWKSW

WSWSW

ccuccu

nMeMe (3.23)

que es la misma condición de funcionamiento nominal.

Por último para funcionamiento robusto se requiere que

1<ℑ∞wz (3.24)

El valor singular estructurado provee una prueba correcta para funcionamiento robusto, donde

el sistema controlado alcanzará un funcionamiento robusto para un cK dado, sí y solo sí

( )( ) 1max <ℑ∆ ωµω

jwz (3.25)

El objetivo de síntesis µ, es el minimizar sobre todos los controladores estabilizadores Κ el

valor pico de ( )⋅∆µ para la función de transferencia en lazo cerrado wzℑ . Formalmente se

busca resolver el problema de optimización min-max siguiente:

( )( ) 1maxmin <ℑ∆ ωµω

jwz

dorEstabilizaK

(3.26)

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66

3.7 Cotas superior e inferior de ( )⋅∆µ .

En general, el problema de computar el valor singular estructurado de una matriz nnM ×∈ C

es muy complicado [11]. Pero se han determinado expresiones tanto para su cota superior

como para su cota inferior para ( )⋅∆µ , definidas de la siguiente manera [11]:

( ) ( )1

Q

∈∆∈≤≤ DMDMQM

Dσµρ

∆∆ DQinf)(max

donde ( )⋅ρ es el radio de la matriz ( )⋅ .(Esto es el valor propio mas grande de la matriz

maxλ ).

donde los subconjuntos ∆Q y ∆D se definen como

{ }nIQQQ =∈= *:∆Q∆

es decir Q es unitaria

[ ]

>∈>=∈= ×

− −

0011 111

jjiirr

mmFmS

ddDDDiIIdIdDDdiag

ii

FF

R,,,C:,,,,,,

D *∆

KK

donde las iD son matrices Hermitianas.

la cota inferior siempre es una igualdad, el valor producido por ( )QMρ , tiene múltiples

máximos locales, por lo que no garantiza acercarnos al valor de µ , en cambio la cota superior

puede ser reformulada como un problema de optimización convexo y el ínfimo o el mínimo

de la cota puede ser encontrado, obteniendo así el valor más próximo a µ, por lo tanto, por

conveniencia del problema de síntesis µ, remplazaremos ( )⋅∆µ por la cota superior, con esto

la ecuación de optimización (3.16) es reformulada como:

( )( )1

D∆

infmaxmin −

∈ℑ DjD wzD

dorEstabilizaK

ωσω

(3.27)

donde la minimización de D, es solamente una aproximación de ( )( )ωµ jwzℑ∆ , y es

independiente de ω , por lo que el ( )[ ]ωσω

fmax es denotado como ∞

f , quedando el caso de

optimización o síntesis µ como:

( )∞

∈ℑ 1

D∆

minmin DjD wzDdorEstabiliza

Kω (3.28)

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67

donde D es una matriz de transferencia de fase mínima.

Para resolver este problema de optimización se utiliza un proceso iterativo llamado, “Iteración

D-K” propuesto por Doyle [10].

3.8 Síntesis µ del controlador

El proceso iterativo D-K es un proceso de minimización secuencial de dos pasos: primero

minimizar sobre K con D fija y segundo minimizar punto a punto sobre D con K fija. Este

proceso se repetirá al menos que se cumplen las siguientes condiciones

1. Que la D estimada es cercana a la anterior.

2. Que los objetivos de funcionamiento se hayan cumplido.

3. Que el orden del controlador sobrepase niveles prácticos de implementación.

3.8.1 Paso 1.

En el primer paso iterativo D-K se tomó a la matriz de escalamiento como la matriz identidad

y se procedió a resolver el problema de optimización de la norma-∞ siguiente

∞ℑwz

dorEstabilizaK

min (3.29)

Esta ecuación no es más que el problema de optimización de control ∞H que se soluciona,

resolviendo las ecuaciones algebraicas de Riccati del modelo en espacio de estados de ∆P .

Para este diseño se obtuvieron los siguientes resultados:

La Figura 3.15 muestra la respuesta en frecuencia del controlador K1 que se encontró en este

primer paso del proceso iterativo del diseño síntesis µ. El controlador presenta una ganancia

baja en bajas frecuencias de 16 con una frecuencia de cruce a 0 dB de 080.≅ rad/seg.

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68

Figura 3.15 Respuesta en frecuencia del primer controlador

La Figura 3.14 muestra las prueba de estabilidad robusta y funcionamiento nominal

observamos que se satisfacen las desigualdades de las ecuaciones (3.22) y (3.23). Esto

asegura la estabilidad del sistema controlado en presencia de incertidumbre en los tiempos de

retardo en las líneas de transmisión del sistema teleoperado, y que también, se satisfaga las

especificaciones de diseño para la planta nominal.

Figura 3.16 Pruebas de estabilidad robusta y funcionamiento nominal.

Gan

anci

a G

anan

cia

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69

En la Figura 3.17 se muestra que la prueba de funcionamiento robusto de 1<ℑ∞wz sí se

cumple, lo que significa que el sistema satisface las especificaciones de estado estable para

variaciones de los tiempos de retardo.

Figura 3.17Medidas del funcionamiento robusto.

En la Figura 3.18 se muestra la respuesta del sistema tele-controlado a señales comando tipo

escalón, para este caso en las tres articulaciones de 10, -15 y 25 grados, observándose un error

en estado estable de aproximadamente de 0.22°, 1.35° y 0.8° en cada una de las

articulaciones respectivamente.

Figura 3.18 Respuesta del sistema controlado a señales comando escalón para diferentes

retardos de 8, 12 y 16 seg.

Gan

anci

a G

rado

s

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70

El resultado de este primer paso fue el controlador 1cK de orden 79, donde los resultados

obtenidos, cumplieron con los objetivos de funcionamiento casi en su totalidad, ya que la

respuesta del sistema controlado a señales comando, observó un error en estado estacionario

en las tres articulaciones con una desviación menor al 2%. En busca de mejorar más este

funcionamiento se decidió continuar con el proceso iterativo D-K.

3.8.2 Paso 2.

Utilizando la función ( )⋅mu de Matlab se obtienen las cotas superiores de ∞

ℑwz y un conjunto

de valores en la frecuencia de una función de escalamiento ( )Kjd ω . Se modeló una función

de transferencia ( )sd aproximada a ( )Kjd ω utilizando la función de interpolación “fitsys” de

Matlab. Las gráficas resultantes de ( )Kjd ω y ( )sd se muestran en la Figura 3.19.

Figura 3.19 Función de fase mínima d(s).

Donde d(s) es

( ) ( )( )04.0025.2

10335.06802

52

++×++

=−

sssd (3.30)

la cual es una función de fase mínima y propia.

Utilizando la función de transferencia ( )sd se formó la matriz de escalamiento:

( ){ }3631 ,, IIIsddiagD = (3.31)

Gan

anci

a

´ ´

´´

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71

con esta matriz de escalamiento se procede a obtener una planta aumentada escalada a

través de: 1−= DDPP ad (3.32)

donde la matriz de transferencia de la planta aumentada inicial es de la forma:

−−−

−−−

=

eenee

u

o

n

a

WWWMWMWWW

IWMM

P0000003

(3.33)

por lo tanto la planta aumentada escalada utilizada, que se obtuvo fué

−−−

−−−

=

eenee

u

o

n

d

WWWMWMWdWdWd

dIdWMdM

P

1

1

13

000000

(3.34)

3.8.3 Paso 3.

Para esta nueva planta aumentada escalada se volvió a resolver el problema de optimización

∞H , obteniendo un controlador estabilizador 2cK tal que:

∞ℑ zwK

min (3.35)

donde zwℑ es la matriz de transferencia en bucle cerrado para la nueva planta aumentada

escalada. Para este diseño se encontraron los siguientes resultados:

En la Figura 3.18 se muestra las respuesta en frecuencia del controlador 2cK , se observa que

la estructura se asemeja a un control integral, lo cual es una buena señal, ya que es bien

conocido que un integrador elimina el error de estado estacionario, problemática que se

presentó en el diseño anterior, se observa también una alta ganancia en las bajas frecuencias

de 316, pero la frecuencia de cruce por cero permanece la misma.

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72

Figura 3.20 Respuesta en frecuencia de K2. En la Figura 3.21 se muestran las prueba de estabilidad robusta y funcionamiento robusto que

como en el caso anterior satisfacen las condiciones de las ecuaciones (3.22) y (3.23). Esto

asegura la estabilidad del sistema controlado para todas las perturbaciones producidas por las

incertidumbre de los tiempos de retardo presentes en las líneas de transmisión del sistema

teleoperado, y también, el alcanzar objetivos de funcionamiento para nuestra planta nominal.

Figura 3.21 Pruebas de estabilidad robusta y funcionamiento nominal para el segundo controlador.

Gan

anci

a G

anan

cia

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73

En la Figura 3.22 se muestra que la prueba de funcionamiento robusto de 1<ℑ∞wz no se

cumple, obteniéndose un valor máximo de la cota superior un poco más grande que uno

(1.03). esto significa que el funcionamiento robusto se podrá satisfacer para variaciones de

hasta

≈× %

.97100

0311 de algunos parámetros del sistema.

Figura 3.22 Medidas del funcionamiento robusto para el segundo controlador.

En la figura 3.23, se muestra la respuesta del sistema tele-controlado a señales comando de

tipo escalón, -15, 25 y 10 grados en las articulaciones, en esta ocasión el error en estado

estacionario fue igual a cero, alcanzándose así un rastreo exacto de las señales de referencia,

se observa que se logró obtener un buen funcionamiento del sistema para valores de tiempo de

retardo mas allá de seg. 864.3=τ y a partir de tiempos de retardo mayores a 8 segundos se

obtienen respuestas pobres en su funcionamiento, esto se muestra en la Figura 3.21.

Gan

anci

a

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74

Figura 3.23 Respuesta del sistema controlado para el segundo controlador con diferentes

tiempos de retardo.

Al realizar un segundo paso del proceso iterativo D-K y dar solución al problema de

optimización de la ecuación (3.30) se obtuvo un controlador 2cK de orden 91, las pruebas de

estabilidad robusta y funcionamiento nominal así como el rastreo de la salida y(t) a señales

comando r(t), se cumplieron satisfactoriamente, pero la prueba de funcionamiento robusto no

fué lograda en su totalidad. Tomando en cuenta el tamaño del controlador y haciendo una

negociación entre los objetivos de funcionamiento alcanzados y la prueba de funcionamiento

robusto, se decide dar por finalizado el proceso iterativo D-K.

De la condición tres es de interés práctico, ya que como es sabido en diseño óptimo ∞H , el

orden del controlador es igual al orden de la planta aumentada, por lo tanto cada vez que se

escala dicha planta su orden aumenta, dando como resultado que al encontrar un controlador

para esta nueva planta, el orden del controlador aumenta también. Esto puede llevar a

controladores imprácticos de orden muy alto.

También, es necesario señalar que si la iteración se detiene por la condición 1 o la condición

3, es necesario volver a replantear el problema, desde las funciones de peso que se

propusieron, o reducir las exigencias de diseño.

Gra

dos

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75

3.9 Controlador de orden reducido

Se procedió a obtener un controlador de orden reducido, a partir del controlador de orden

completo y después de tratar varios controladores de orden menor se llegó a uno de orden 12,

obteniéndose los siguientes resultados:

El controlador de orden reducido presentó respuestas en la frecuencia semejantes al del

controlador de orden completo en sus frecuencias bajas e intermedias. Esto se puede observar

en la Figura 3.24.

Figura 3.24 Respuesta a la frecuencia del controlador 2cK .

Las cotas de estabilidad robusto y funcionamiento nominal, fueron muy parecidas al del

controlador de orden completo, como se muestra en la Figura 3.25.

Figura 3.25 Pruebas de estabilidad robusta y funcionamiento nominal con 2cK .

Gan

anci

a G

anan

cia

Kc2

Kc2

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76

En la Figura 3.26 se observó que el valor singular estructurado µ, en el controlador de orden

12, se redujo de 1.036 a 1.028, por lo que se garantiza el funcionamiento robusto para los

mismos porcientos de variación de parámetros del sistema.

Figura 3.26 Valor singular estructurado con 2cK . Se obtuvo la matriz de transferencia del disturbio a la salida y utilizando una aproximación

de Padé de 4° orden del tiempo de retardo, se procedió a simular la respuesta al disturbio tipo

escalón a diferentes tiempos de retardo de 8, 12, y 16 seg.

En la Figura 3.27 claramente se observa que se obtuvo un muy buen rechazo a disturbios de

tipo escalón para tiempos menores a 8 seg .

Figura 3.27 Respuesta al disturbio con el controlador reducido 2cK a tiempos de retardo de 8, 12 y 16 seg.

8

Gan

anci

a

Kc2

Kc2

Gra

dos

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77

En la Figura 3.28 se obtienen las respuestas a comando de las articulaciones del robot, con el

controlador de orden reducido, se observa que para valores de retardo de 8 seg. las respuestas

son estables y con un buen funcionamiento, con un porciento de sobre paso del 40% y un

tiempo de asentamiento de 150 seg., para tiempos de retardo de 12 seg, las respuestas siguen

siendo estables pero con un funcionamiento pobre, con un porciento de sobrepaso del 70% y

un tiempo de asentamiento de 200 seg., para tiempos de retardo de 16 seg. las respuestas

obtenidas se encuentran fuera de las especificaciones de funcionamiento establecidas para este

diseño.

Figura 3.28 Respuesta a entradas comandos para diferentes retardos. En la Figura 3.29 se muestran las respuestas al ruido presente en los servopotenciómetros del

robot, en ellas claramente se observa, que estos fueron atenuados.

Gra

dos

Kc2 CON RETARDO

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78

Figura 3.29 Atenuación de ruidos a la salida del sistema telecontrolado Al término de este capítulo, los resultados obtenidos satisficieron los objetivos de

funcionamiento establecidos lográndose extender el funcionamiento robusto para

incertidumbres de tiempos de retardo mas allá de lo esperado.

Gra

dos

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79

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES En esta tesis se presentó el diseño de dos controladores robustos para un sistema de

Teleoperación, utilizándose las técnicas de análisis y diseño de control ∞H y síntesis µ .

La planta a utilizar en este sistema de Teleoperación es un robot manipulador de tres grados

de libertad, donde el modelo matemático y las incertidumbres de tipo aditivas de la planta

fueron desarrolladas por Aguilar Bustos [7], siéndo estas expresiones la base para realizar el

diseño del primer controlador.

Los objetivos de funcionamiento del primer controlador fueron: hacer robusto al robot

manipulador de tres grados de libertad, a incertidumbres de tipo aditivas no estructuradas y

rechazar disturbios a la salida de la planta. Para ello se propuso una estructura de control (ver

figura 2.2) y utilizando la técnica de diseño de controladores ∞H . Se buscó satisfacer las

condiciones de funcionamiento especificadas, sintonizando las funciones de peso y

remodelando las dinámicas de los disturbios presentes en nuestra planta. Se obtuvieron los

siguientes resultados:

• Las condiciones de estabilidad robusta y funcionamiento nominal, para el diseño del

regulador, se cumplieron (ver Figura 2.20) asegurándonos que nuestra planta sea

robustamente estable a incertidumbres de tipo aditivas no estructuradas contenidas en

el modelo, también la condición de funcionamiento nominal nos asegura que el

sistema regulado rechaza los disturbios de carga.

• La condición de funcionamiento robusto, para el diseño del regulador, se cumple, con

esto logramos tener funcionamiento robusto en presencia de los errores de modelado

de tipo aditivo o variaciones paramétricas del Robot.

• Este regulador fue implementado físicamente obteniéndose resultados satisfactorios

mostrados en la sección 2.7.

Una vez obtenido el sistema regulado, se diseñó un controlador remoto para este mismo. Los

objetivos de funcionamiento para el diseño del segundo controlador con síntesis µ, fueron:

lograr el funcionamiento robusto del sistema regulado en presencia de incertidumbre de tipo

multiplicativa generada por los tiempos de retardos en las líneas de transmisión del sistema

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teleoperado como rechazar los ruidos de los servopotenciometros del robot y rastrear

fielmente señales de referencia. La técnica de diseño utilizada en este segundo controlador fué

el proceso Iterativo D-K de síntesis µ . El proceso de diseño consistió en proponer una

estructura de control como lo muestra la Figura 3.6, en donde se consideran la incertidumbre

de los tiempos de retardo y las dinámicas de los ruidos de los sensores. Utilizándose

únicamente retroalimentación de la salida y siguiendo los pasos del proceso iterativo D-K, se

obtuvo un controlador estabilizador con los siguientes resultados:

• La condición de estabilidad robusta y funcionamiento nominal se cumplen, y la

condición de funcionamiento robusto se cumple aproximadamente (ver Figuras 3.19 y

3.20).

• Se logró extender el funcionamiento del sistema teleoperado a valores de tiempos de

retardos mas grandes de 12≅τ segundos.

El controlador resultante fue de orden 91, por lo que se aplicó una técnica de truncación para

obtener modelos de orden reducidos, llegándose a obtener un controlador de orden 12, el cual

se comprobó que no modificara las características de funcionamiento y robustez del sistema

controlado con el controlador de orden 91. Este controlador de orden reducido fue el que se

aplicó en la base experimental. Los resultados obtenidos con el diseño del controlador remoto

fueron alcanzar el funcionamiento robusto y la extensión del rango de estabilidad en presencia

de tiempos de retardo, con esto se cumple el objetivo de este trabajo que fue introducir los

efectos de los tiempos de retardo en los objetivos de diseño de controladores robustos.

En cuanto a posibles proyectos de investigación se considera necesario, modificar la base

experimental en el cual los controladores se implementan, ya que se aplican sobre el lenguaje

de programación Turbo C, que hace uso de la librería de funciones del robot (rbxlib.c). Esto

trae como consecuencias una gran lentitud de respuesta del robot, debido al uso iterativo de

estas funciones. Se recomienda retirar esta plataforma y actuar directamente sobre los

actuadores y sensores del robot. También aplicar un análisis al sistema controlado para

determinar el valor máximo del tiempo de retardo que hace al sistema inestable.

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81

BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS

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Mathematics, University of British Columbia.

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Ensta, 32, boulevard Victor, 75739, Paris, Cedex 15, France.

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82

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83

APÉNDICES

A. BASE EXPERIMENTAL DE TELEOPERACIÓN

La base experimental utilizada en este trabajo fué estructurada de la siguiente manera:

Se contaba con el trabajo realizado por [7], que es una base experimental que permite la

implementación de controladores para un robot de 3GDL. El robot cuenta con un adaptador

electrónico que se interfasa a un ordenador por el puerto paralelo, y controla los tres servos

del robot, también cuenta con un convertidor analógico digital (ADC) que permite saber la

posición de los servopotenciómetros de los servos del robot. Se cuenta con una librería de las

funciones realizadas por el robot programada en lenguaje C (rbxlib.c). Haciendo uso de estas

funciones se construyó el siguiente sistema retroalimentado:

Figura A.1 Sistema de control local.

Donde KL es el regulador local, diseñado en el capitulo 2. La plataforma de programación

utilizada en el ordenador 1 (Procesador 486) es Turbo C. En este lenguaje se realizó un

programa de implementación de controladores H∞ . Que consiste en leer la posición generada

por los servopotenciómetros, comparar esta posición con las señales de referencia, obtener la

señal de error, y dar solución al sistema de ecuaciones de diferencia del controlador H∞

computado, obteniendo así las señal control para el robot.

Para realizar la teleoperación del sistema regulado anteriormente descrito se procedió a

realizar una rutina de comunicación serial de transmisión y recepción incrustada en el ciclo

de control del regulador, con esto podremos transmitir a través de un medio de comunicación

KL

Ordenador 1

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84

las señales sensadas por los servopotenciómetros, y podremos recibir a través de un medio de

comunicación las señales de referencia generadas por un centro de comando remoto. Como se

expuso en el capitulo 1 la transmisión y recepción de información en líneas de comunicación

generan tiempos de retardo que pueden conducir a la inestabilidad al sistema ya regulado.

La plataforma experimental que se desea realizar, es una, que me permita emular los tiempos

de retardo que puedan presentarse en una línea de comunicación y así validar los resultados

obtenidos en el diseño de controladores que atenúen los efectos de los tiempos de retardo.

Con esto se implementó en un segundo ordenador el centro de comandos, en el cual se

implementa el controlador que atenué los tiempos de retardo, diseñado en el capitulo 3. y

emule los tiempos de retardo de las líneas de comunicación. Quedando la base experimental

de la siguiente manera:

Figura A.2 Base experimental para el control Teleoperado.

Los ordenadores están comunicados a través de los puertos seriales como anteriormente se

explicó. El lenguaje de programación utilizado en el ordenador 2 o centro de comando fue

LABVIEW, que es un programa de instrumentación virtual, que permite tener una interfaz

gráfica de la posición de los servos, como se muestra a continuación:

KL

Ordenador 1

KC ste−

ste−

Ordenador 2

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Figura A.3 Panel de control en LabView para el sistema Teleoperado.