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sistemas lineales de control

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  • UNIVERSIDAD TECNOLGICA DE LOS VALLES CENTRALES DE OAXACA

    TSU MECATRNICA

    GANANCIA (CONTROL) Profesor. ING. Gonzalo Berra Ruiz

    SISTEMAS LINEALIES DE AUTOMATIZACION Alumno: Samuel Alfredo Santiago Cruz

    [email protected]

    Abstract- En un sistema de control el

    punto de equilibrio se determina

    resolviendo las ecuaciones que definen el

    sistema simultneamente. Supondremos

    dos procesos acoplados dados por las

    ecuaciones y = f(x, p) y x = g (y), en donde

    P es un parmetro. Ganancia (G) nos mide

    el grado de retroalimentacin del sistema y

    determina la variacin de X e Y ante

    cambios en los otros parmetros. En otra

    palabra ganancia es control.

    Palabras Claves- Sistemas de control,

    ganancia, parmetro, equilibrio, procesos.

    l.- INTRODUCCIN.

    Cuando hablamos de ganancia, nos

    referimos a la agresividad de su accin de

    control proporcional: la razn del cambio de

    salida con el cambio de entrada. Sin

    embargo, podemos ir un paso adelante y

    representar cada componente dentro de un

    lazo de control como si tuvieran su propia

    ganancia (la razn del cambio de salida

    entre el cambio de entrada).

    II.- DESARROLLO

    Compensacin del factor de ganancia. Se desea que la mxima ganancia del

    sistema realimentado dado por la siguiente

    ecuacin, sea de 2db:

    Figura 1.- ecuacin ganancia mxima.

    En primer lugar se realiza la grfica de

    magnitud contra fase de los sistemas.

    Figura 1.1 Grafica magnitud contra fase

    Despus de esto esta misma grafica se

    sobrepone en la carta de Nichols, de la

    misma forma como se hizo en ejemplo

    anterior.

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    TSU MECATRNICA

    figura 1.2 grafica carta de Nichols

    A partir de esta superposicin se puede

    apreciar que la mxima amplitud del

    sistema se da a una frecuencia de 1.1Hz, y

    cuyo valor es aproximadamente 1db.

    Como lo que se desea es que la mxima

    amplitud del sistema sea de 2db, la grfica

    de magnitud vs fase de la funcin de

    transferencia se desplaza hacia arriba

    hasta lograr que esta curva sea tangente al

    contorno M constante de 2d.

    En la siguiente grafica se aprecia el

    desplazamiento que se le tuvo que hacer a

    la grfica para lograr su tangencia a la

    curva M de 2db, la medida de ese

    desplazamiento fue de aproximadamente

    4.5db en direccin positiva. Con este valor

    se puede encontrar el valor de la ganancia

    adicional que se debe sumar al sistema

    original para que su respuesta cumpla con

    las especificaciones del circuito.

    Para determinar el valor de la ganancia del

    sistema compensado se toma la siguiente

    ecuacin:

    Donde Ki es el factor de ganancia del

    sistema original, Kb es el nuevo factor de

    ganancia que se desea hallar y es el

    desplazamiento (en db) que tuvo la

    grfica magnitud contra fase. Para los

    valores del ejercicio, ki=2.04 y =4.5db.

    Despejando kb para los valores dados se

    tiene que el nuevo factor de ganancia es de

    3.43. Entonces la funcin de transferencia

    del sistema ya compensado es:

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    De esta grafica se puede sacar la grfica

    de magnitud contra fase del nuevo sistema

    realimentado.

    A.- Mrgenes de fase y de ganancias en

    bode y Nyquist.

    El diagrama de Nyquist, adems de permitir

    determinar si un sistema es estable o

    inestable, nos puede indicar el grado de

    estabilidad de un sistema, que es lo que se

    conoce como estabilidad relativa.

    B.- Margen de ganancia

    El margen de ganancia (Mg) es el inverso

    de | G(jw) | a la frecuencia de cruce o de

    transicin de fase(w1), que es a la cual el

    ngulo de fase de la funcin de

    transferencia en lazo abierto es -180. Si la

    realimentacin es unitaria (H(jw)=1),

    podemos expresarlo como:

    Un margen de ganancia positivo (en

    decibelios) significa que el sistema es

    estable; y si es negativo (en dB), ser

    inestable. Si es nulo (en dB), el sistema es

    crticamente estable, es decir, tiende a la

    inestabilidad. Para un sistema de fase

    mnima estable, el margen de ganancia

    indica en cunto se puede incrementar la

    ganancia antes de que el sistema se haga

    inestable. Para un sistema de fase mnima

    inestable, el margen de ganancia nos dice

    en qu cantidad hay que reducir la

    ganancia para hacer al sistema estable.

    Schaum. (1990). Teora y problemas de regeneracin y

    sistemas de control. (2da Edicin). California: MC GRAW-

    Hill. (Pginas: 245-247)

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    C.- EFECTO DE LA REALIMENTACION EN LA GANANCIA. La realimentacin afecta a la ganancia G

    de un sistema no realimentado por un

    factor de 1+ GH. El sistema se dice tener

    realimentacin negativa, ya que un signo

    menos se asigna a la seal realimentada.

    La cantidad GH puede incluir el signo

    menos, por tanto el efecto general de la

    realimentacin es que puede incrementar o

    disminuir la ganancia G. en consecuencia,

    la realimentacin puede incrementar la

    ganancia del sistema en un intervalo de

    frecuencia pero reducida en otro.

    D.- APLICACIN.

    La ganancia intrnseca del dispositivo de

    medida (transmisor), el dispositivo final de

    control (como una vlvula de control), y el

    proceso mismo son todas importantes para

    ayudar a determinar la ganancia necesaria

    para lograr un control robusto. Mientras

    mayor es la ganancia combinada del

    transmisor, proceso y vlvula, menor

    ganancia ser necesaria en el controlador.

    Mientras menos ser la ganancia

    combinada del transmisor, proceso y la

    vlvula, mayor ganancia ser necesaria en

    el controlador. Dicho esto podemos hacer

    funcionar nuestro sentido comn: mientras

    un proceso sea ms reactivo, el

    controlador necesita ser menos agresivo a

    fin de lograr un control estable.

    Estas ganancias combinadas pueden ser

    determinadas empricamente realizando

    una prueba simple con el controlador en

    modo MANUAL. Poniendo el controlador en

    modo manual (y por tanto deshabilitando la

    correccin automtica de los cambios del

    proceso) y ajustando la seal de salida a

    alguna cantidad determinada, el resultado

    del cambio en la variable de proceso puede

    ser medida y comparada. Si el proceso es

    auto-regulatorio podemos determinar una

    relacin entre los cambios de PV y los

    cambios en la salida del controlador.

    La ganancia del controlador (Kp) indica que

    tan sensible es el controlador al error.

    La banda proporcional (PB) tambin indica

    esta sensibilidad ya que la ganancia y la

    banda estn relacionadas.

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    La ganancia de un Ctrl. Integral est

    definida por la ecuacin:

    Ki= %de Cambio de CV por sec..

    %error sobre rango completo

    Por ejemplo. Un valor de Ki=0.5 1/sec,

    indica que el controlador obtendr una

    ganancia de 0.5% es su salida por cada 1%

    de error presente. El valor que se introduce

    directamente al controlador es:

    T= 1

    Ki

    E.- GANANCIA CRTICA.

    La ganancia crtica KPkrit es el coeficiente

    de accin proporcional del controlador, en

    el que el sistema de control en lazo cerrado

    trabaja en el lmite de estabilidad

    (oscilacin permanente).

    F.- GANANCIA DE AMPLITUD.

    Como ganancia de amplitud se define a la

    relacin entre las amplitudes de la salida y

    la entrada de un sistema lineal estimulado

    con una seal sinusoidal. La ganancia de

    amplitud es, entre otros aspectos,

    dependiente de la frecuencia.

    G.- GANANCIA EN REGIMEN

    PERMANENTE.

    La ganancia representa la relacin entre el

    valor de la salida y el valor de la entrada

    una vez que el sistema se ha estabilizado

    (se considera una entrada tipo escaln).

    Puede demostrarse que el valor de la

    ganancia es K si la funcin de transferencia

    se expresa en cualquiera de los formatos

    que se proponen.

    La realimentacin no solo reduce la

    diferencia entre el valor deseado y el valor

    real, tambin tiene efectos en las

    caractersticas de desempeo del sistema,

    como la ganancia, la estabilidad, la

    sensibilidad y el rechazo a perturbaciones.

    Relacin salida-entrada en sistemas

    de lazo abierto (caso esttico).

    Relacin salida-entrada en sistemas

    de lazo cerrado (caso esttico).

    RGGHY

    YGHRGGbReGY

    )1(

    )(

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    G.- MARGEN DE GANANCIA (MG):

    Es la inversa de la relacin de amplitudes

    crtica. MG C 1 que permite escribir las

    condiciones de estabilidad de la siguiente

    forma: MG 1 Sistema Estable MG 1

    Sistema Marginalmente estable

    (Oscilaciones Sostenidas) MG 1

    Sistema Inestable (en este caso el sistema

    carece de margen) Los valores tpicos de

    mrgenes que los expertos consideran

    adecuados varan de 1.7 a 3.0b , siendo el

    valor clsico de 2. Esta recomendacin da

    una regla para ajustar uno de los

    parmetros del controlador. El MG indica el

    factor en el que se debe incrementar la

    ganancia del controlador para obtener

    oscilaciones sostenidas. Se puede asociar

    MG con la atenuacin del la respuesta, a

    mayor MG, respuesta temporal ms

    atenuada.

    H.- La ganancia ltima.

    Es un parmetro muy empleado para

    sintonizar controladores y est vinculado al

    lmite de estabilidad. Se define como la

    ganancia de un controlador proporcional

    que asegura oscilaciones sostenidas como

    respuesta a cualquier estmulo.

    Considerando la condicin de estabilidad

    marginal y controlador proporcional.

    I.- Frecuencia Natural y Ganancia ltima

    En sistemas de primer orden con tiempo

    muerto Una gran cantidad de sistemas de

    la industria de procesos se suelen modelar

    en forma simplificada con funciones de

    transferencia con dos parmetros

    dinmicos: una constante de tiempo y

    tiempo muerto L.

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    TSU MECATRNICA

    Con esta descripcin matemtica, se

    pueden sacar interesantes conclusiones

    sobre el comportamiento de lazos de

    control, vinculndolo a los parmetros

    estticos y dinmicos. La Frecuencia

    natural viene definida por la ecuacin

    trascendente:

    (n ) tg (n ) Ln

    Que no tiene una solucin explcita. Se han

    propuesto distintas frmulas para el clculo

    de la frecuencia natural (y de la ganancia

    ltima). Algunas son las siguientes:

    III.- CONCLUSIN.

    Como conclusin sobre este artculo de

    investigacin es que cuando hablamos de

    ganancia, hablamos en pocas palabras de

    control. Nos referimos a la agresividad de

    la accin de control proporcional, la razn

    del cambio de salida con el cambio de

    entrada. Sin embargo, podemos ir un paso

    adelante y representar cada componente

    dentro de un lazo de control como si tuviera

    su propia ganancia.

    IV.- REFERENCIAS.

    CONTROL II, INGENIERO. CARLOS F. MARTINEZ, PAG. 22-109 2009. Schaum. (1990). Teora y problemas de

    regeneracin y sistemas de control.

    (2da Edicin). California: MC GRAW-Hill.

    (Pginas: 245-247)

    http://www.monografias.com/trabajos32/sist

    emas-de-control/sistemas-de-control.shtml

    http://www.instrumentacionycontrol.net/cursos-libres/automatizacion/curso-sintonizacion-controladores/item/381-la-ganancia-en-estado-estable-de-los-procesos-cuidado-cuando-cambiamos-el-rango-de-los-instrumentos-1ra-parte.html