3.3
Análisis de sistemas en el dominio de la frecuencia PALABRAS CLAVE Y TEMAS
Respuesta en frecuencia Pico y frecuencia de resonancia Ancho de banda Diagramas de Bode
competencias ¿Como responden los sistemas ante entradas de distinta velocidad de cambio ó cualquier tipo de entrada? Definir y graficar la respuesta en frecuencia Analizar el comportamiento dinámico de un sistema desde el punto de vista de la frecuencia Como usar la respuesta en frecuencia para analizar la estabilidad; medidas de robustez: margen de ganancia, 1 de fase margen
Señales sinusoidales Alta frecuencia: cambio rápido Baja frecuencia: cambio lento
T
u = A sen(t) 1
donde
1 2 T f
frecuencia f 2
rad/s Hz
0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1
0
20
40
60
80
100
120
140
Respuesta en frecuencia (1/3)
La respuesta en estado de régimen permanente ante una entrada sinusoidal U(s)
Sistema lineal estable
G(s)
Y ( s ) G ( s )U ( s )
Y(s)
A s2 2
Nos centraremos en el estado estacionario y ss (t ) lim y (t ) Ysen (t ) u (t ) Asent t
U ( s)
La salida en régimen permanente (después de pasar el transitorio) también es sinusoidal de igual frecuencia que la entrada pero con diferente amplitud y desfasada Por tanto, la respuesta en frecuencia queda determinada si se conoce la función de transferencia compleja G(jω)=G(S)|jω 3
Respuesta en frecuencia
(2/3)
U(s)
u (t ) Asent
G(s)
Y(s)
y ss (t ) A G ( j ) sen (t )
Amplitud de la salida: Y A G ( j ) Ángulo de fase: arg( G ( j )) G ( j ) La respuesta del sistema oscila con la misma frecuencia que la sinusoide de entrada pero atenuada por un factor |G(j)| y desfasada un ángulo = arg(G(j)) que dependen de 4
Ejemplo G (s)
75 s 2 5s 15
Para una entrada
G ( j ) G ( s ) s j Transitorio
u (t ) Asent
donde G ( j ) G ( j )
75
y(t)
A 1 5 rad / s
(15 w2 ) 2 25w2 75 (15 52 ) 2 25*52
G ( j ) 2.7854 Y A G ( j ) 2.7854
arctg
Im(G ( j )) 5w arct g Re(G ( j )) 15 w2
arctg (2.5) 1.1903 [rad ] 68.180 S 5
u(t)
Permanente
Desfase t0 [s]
USO DE SIMULINK
6
transitorio
transitorio
7
estacionario
estacionario
Respuesta en frecuencia (3/3)
Los valores de la atenuación |G(j)| y el desfase = arg(G(j)) que introduce un sistema lineal dependen solo de G(s) y pueden representarse en función de la frecuencia en diversos tipos de diagramas sin más que sustituir la variable s por j en G(s) y calcular el módulo y el argumento del complejo G(j) resultante Bode Diagrams
Nyquist Diagrams
From: U(1)
-10
0.4
-20
0.2
0
-50
0 -0.2 -0.4
100
Frequency (rad/sec)
8
To: Y(1)
0.6
Imaginary Axis
0
-100 10-1
From: U(1)
0.8
50
To: Y(1)
Phase (deg); Magnitude (dB)
10
101
-0.6 -0.8 -1
-0.5
0
Real Axis
0.5
1
1.5
Representaciones de la respuesta frecuencial • Diagrama logarítmico (diagrama de Bode) (1945) 2 curvas en función de la frecuencia en escala logarítmica: 1. relación de amplitudes |G(j)| [dB] 2. ángulo de fase () [º] • Diagrama polar (diagrama de Nyquist) (1932) diagrama de la amplitud de G(j) en función del ángulo de fase de G(j) en coordenadas polares al variar desde cero a infinito • Diagrama magnitud – fase (diagrama Nichols) diagrama del logaritmo del módulo en función de la fase para un rango de frecuencias de interés 9
ESTABILIDAD RELATIVA
10
Es una propiedad por el cual se mide los tiempos relativos de estabilización de cada raíz o par de raíces los cuales se miden por especificaciones o parámetros
Especificaciones o Parámetros en dominio de la frecuencia
11
1.-Margen de ganancia: Es la cantidad de ganancia que se puede añadir a la F.T. en lazo abierto antes que el sistema en lazo cerrado se vuelva inestable. Se determina con la siguiente relación: M.G.=
1 G ( jw ).H ( jw )
Wπ: Es la frecuencia a la cual el argumento es igual a -180º.(Frecuencia de cruce de fase)
G ( jw) H ( jw) 180 12
2.- Margen de Fase: Es la cantidad en ángulo que se puede añadir a la F.T. en Lazo Abierto antes que el sistema en lazo cerrado se vuelva inestable y se determina:
M .F . 180 G ( jw1 ) H ( jw1 ) W1→ se determina a partir de la condición: (Frecuencia de cruce de ganancia)
G ( jw1 ) H ( jw1 ) 1 13
3.-Frecuencia de resonancia(Wr) y Máximo Pico de resonancia (Mr) Frecuencia de Resonancia (Wr): Es la frecuencia a la cual ocurre el máximo pico de resonancia. Máximo pico de resonancia (Mr) Es valor máximo de la magnitud de la respuesta en frecuencia de la F.T. en lazo cerrado (Mr esta comprendido entre 1.1 hasta 1.5 en un sistema estable) Mr max 14
C ( jw) R ( jw)
4.-Ancho de Banda (AB): Es la frecuencia en la cual el modulo CR(( jwjw)) cae a 70.7% de su valor máximo o tambien se puede decir 3 decibelios (dB) abajo de su valor de su frecuencia cero.
A.B wn (1 2 2 ) 4 4 4 2 2 (para sistemas de segundo orden) 15
EJERCICIO 1.Hallar el M.G. y M.F. de la F.T. en lazo abierto: G ( s) H (s)
3 s 1 2
3
Re emplazando en dominio de w 3 G ( jw) H ( jw) 3 jw 1 2 3 1 w G ( jw) H ( jw) 3 tan 3/ 2 2 w2 1 4 16
w 3 tan 180 2 W 3.4641rad / seg 1
3/ 2
3.46 1 4 M .G. 2.66 3 Para hallar m arg en de fase 3 1; w1 2.078 3/2 w12 1 4
2
M .F . 180 3 tan 17
1
2.078 180 13 8.31 41, 69 2
CALCULO GRAFICO PARA DETERMINAR M.G. Y M.F.
1
18
EJERCICIO 2 Se tiene la siguiente F.T. en lazo cerrado, determinar Mr y Wr C (s) 5 2 ; Reemplazando en dominio de w R( s) s 2s 5 C ( jw) 5 5 2w 1 tan 2 2 R( jw) w 2 jw 5 5 w 2 2 2 5 w (2w)
C ( jw) R( jw)
19
5
5w
2 2
(2 w) 2
DERIVANDO
d dW
C ( jw) R ( jw)
2(5 wr 2 )( 2 wr ) 8 wr 0; wr (4 wr2 12) 0 wr
3
C ( jwr ) Mr R ( jwr ) Mr
20
5
5 wr 2
5
5 3
2
4*3
2
1.25
(2 wr ) 2
Máximo pico de resonancia(Mr) y frecuencia de resonancia(Wr) para Sistemas de segundo orden C (s) Wn 2 C ( jw) Wn 2 2 ; 2 R( s) s 2 Wns Wn R ( jw) W 2 2 j Wn Wn 2 C ( jw) 1 W W R ( jw) ( )2 2 j 1 Wn Wn Derivando
d C ( jw) dw R ( jw)
1 (1 (
W 2 2 W 2 ) ) 4 2 ( ) Wn Wn
e igualando a cero
wr wn 1 2 2 Mr
21
C ( jwr ) R ( jwr )
1 (1 (
Wr 2 2 W ) ) 4 2 ( r )2 Wn Wn
2
1 1 2
EJERCICIO 3 C (s) 5 ; R( s) S 2 2S 5 Igualando a la ecuacion de sistemas de segundo orden Hallar Mr y Wr de :
C ( s) Wn 2 5 2 ; 2 2 R( s) s 2 Wns Wn S 2S 5 Por comparacion tenemos: 5; y
Wn wr wn Mr
22
2
1 Wn
1 5
0.4472 rad/s
1 2 2 2.236 1 0.4472 2 1.732 rad/s
1 1
2
1 2 * 0.4472 1 0.4472
2
1.25
Ejercicio 4 Hallar el Ancho de Banda (AB) de: C ( s) 5 R( s) s 2 2s 5
C ( jw) R ( jw)
5
5 wc 2
2
4 wc2
50 (5 wc2 ) 2 jwc2 X wc2 50 (5 X ) 2 4 X X 8.83 A.B. wc 2.97
23
rad / seg
1 2
ANALISIS DE BODE La representación de Bode consiste en 2 graficas de magnitud y argumento en función de la frecuencia. (De la F. T en lazo abierto G(jω)H(jω) ). La escala de magnitud o módulo es lineal y el eje de frecuencias es escala logarítmica.
24
Diagrama de Bode: escala logarítmica(eje de frecuencia) 10 0
10 1
102
103
(rad/s)
década
Multiplicar por 10 la frecuencia supone subir una década Década: separación existente entre dos potencias consecutivas del ‘mismo número’, en este caso 10.
25
La representación logarítmica presenta las características de alta y baja frecuencia de la función de transferencia en un solo diagrama
Diagrama de Bode: decibelios(eje de magnitud) Multiplicar o dividir por 10 a |G(j)H(j ) | supone sumar o restar 20 dB a |G(j)H(j ) | 20log|G(j)H(j ) | [dB]
(la multiplicación de amplitudes se convierte en suma)
20 10 0 -10 -20
26
10* GH j
20 log10 10 GH j dB
20 log10 10 dB 20 log10 GH j
20dB 20 log10 GH j dB
dB
Diagrama de Bode Consta de 2 trazados representados en función de la frecuencia en escala logarítmica 1. Diagrama del logaritmo del módulo de una función sinusoidal 2. Diagrama del ángulo de fase
Matlab: bode(n,d)
Bode Diagrams
20log|GH(j)| [dB] (en decibelios)
27
-10
en escala logarítmica
-20 50
To: Y(1)
arg(GH(j)) [º] En grados sexagesimales
From: U(1)
0
Phase (deg); Magnitude (dB)
dB = 20log | . |
10
0
-50
-100 -1 10
0
10
Frequency (rad/sec)
1
10
¿Por qué diagramas logarítmicos? (1/2)
Considerando la siguiente función de transferencia: G ( s) H ( S )
K ( s z1 )( s z2 )...( s zk ) s l ( s p1 )( s p2 )...( s pn )( s 2 2 n s n2 )
La magnitud de la respuesta en frecuencia es el producto de la magnitud de las respuestas en frecuencia de cada término: K ( s z ) ( s z ) ... ( s z ) G ( j ) H ( j )
1
2
k
s l ( s p1 ) ( s p2 ) ... ( s pn ) s 2 2 n s n2
s j
Resulta que trabajando con el logaritmo de la magnitud, el proceso se simplifica puesto que la magnitud de las respuestas de los términos de ceros se sumarían y la magnitud de las respuestas de los términos de polo se restarían. 28
(2/2)
¿Por qué diagramas logarítmicos? GH ( j )
K ( s z1 ) ( s z2 ) ... ( s zm ) s l ( s p1 ) ( s p2 ) ... ( s pn ) s 2 2 n s n2
s j
20 log GH ( j ) 20 log K 20 log ( j z1 ) ... ... 20 log j 20 log ( j p1 ) ... l
En decibelios, el diagrama de |GH(j)| puede obtenerse por superposición de los diagramas de términos elementales correspondientes a cada polo, cero, ganancia y retardo.
arg(GH ( j )) arg( K ) arg( j z1 ) ... arg(1/ j l ) arg(1/ ( j p1 )) ... 29
Factores básicos Los factores básicos que se producen frecuentemente en una función arbitraria GH(j) son:
1. Ganancia K 2. Factores integrales y derivativos 3. Factores de primer orden 4. Factores cuadráticos
j 1 1 jT 1
j 2 1 j n n
2
La respuesta en frecuencia del sistema puede obtenerse por superposición de los diagramas de los términos elementales 30 que componen la función de transferencia.
1
Bode real y asintótico (1) El diagrama de Bode asintótico es una aproximación en base a líneas rectas tanto de la magnitud como de la fase. El diagrama de Bode real es el dibujo exacto.
31
A mano es más sencillo y rápido dibujar el Bode asintótico.
Bode real y asintótico (2) El diagrama de Bode se puede dibujar tanto del sistema en lazo abierto como en lazo cerrado. Para diseñar compensadores usamos el sistema en lazo abierto. Para calcular el ancho de banda, normalmente se usa el sistema en lazo cerrado.
32
FORMA DE BODE PARA TRAZOS ASINTOTICOS GH ( j )
K ( jw z1 ) ( jw z2 ) ........... ( s zm ) jw ( jw p1 ) ( jw p2 ) ... ( jw pn ) ( jw) 2 j 2 n w n2 l
K z1 * z2 *......zm (1 GH ( j )
j jw jw jw 2 jw p1 * p2 *..... pn .w (1 ) (1 ) ........... (1 ) 1 j p1 p2 pn n n l
2 n
K B (1 GH ( j )
jw jw jw ) (1 ) ........... (1 ) z1 z2 zm
jw jw jw ) (1 ) ........... (1 ) z1 z2 zm
j jw jw jw 2 jw (1 ) (1 ) ........... (1 ) 1 j p1 p2 pn n n
2
l
arg(GH ( j )) 0 tan 1 ( / z1 ) ......tan 1 ( / zm ) 90 * l tan 1 ( / p1 ) ...... tan 1 ( / pn ) tan 1 (2 n / (n2 2 )
33
2
Bode: respuesta de una constante (ganancia) G ( s) K G ( j ) K
20 log G ( j ) 20 log K G ( j ) arctg
0 0º K 180º
K0 K0
El Bode de una constante son líneas rectas
34
Bode de una constante positiva Bode Diagram
Magnitude (dB)
41
G s 100
40.5 40 39.5 39 1
Phase (deg)
0.5 0 -0.5 -1
-1
0
10
1
10
10 Frequency (rad/sec)
35
2
10
Bode de una constante negativa Bode Diagram
Magnitude (dB)
41 40.5 40
G s 100
39.5 39 181
Phase (deg)
180.5 180 179.5 179
-1
0
10
1
10
10 Frequency (rad/sec)
36
2
10
Bode asintótico : respuesta de un polo en el origen (integrador) GH ( s )
1 s
20 log GH ( j ) 20 log
GH ( j )
1 j
Pendiente = -20 dB/década
1 j
20 log1 20 log 20 log
[dB]
0.1 20dB 1 0dB
10 20dB 1 j 1 j 90º
GH ( j )
37
La curva de la magnitud logarítmica es una recta con una pendiente de –20 dB/década que pasa por cero dB en =1. La gráfica de fase es igual a una constante de –90º.
Bode asintótico: respuesta de un polo múltiple en el origen (integrador) 1 sn
GH ( j )
20 log GH ( j ) 20 log
1
j 1
j
n
n
Bode Diagram
100
Pendiente = -20n dB/década
50
Magnitude (dB)
GH ( s)
0 -50
20 log1 20 log n
-100
20n log
-150
[dB]
-269
0.1 20 ndB 1 0dB 10 20 ndB
Phase (deg)
-269.5 -270 -270.5 -271
GH ( j )
j
1 j 90 nº 38
-1
10
1 n
0
1
10
10
2
10
Frequency (rad/sec)
La curva de la magnitud logarítmica es una recta con una pendiente de –20n dB/década que pasa por cero dB en =1. La gráfica de fase es igual a una constante de –n90º.
Bode asintótico: respuesta de un cero múltiple en el origen GH ( j ) j
GH ( s) s n
n
Bode Diagram
150
Pendiente = 20n dB/década
20 log GH ( j ) 20log j n
20 log 20n log n
Magnitude (dB)
100
[dB]
50 0 -50 -100 -89
Phase (deg)
-89.5
0.1 20 ndB 1 0dB 10 20 ndB
¡OJO! GH ( j ) j 1 j 90 n º 39
n
-90 -90.5 -91
-1
10
0
1
10
10 Frequency (rad/sec)
2
10
La curva de la magnitud logarítmica es una recta con una pendiente de 20n dB/década que pasa por cero dB en =1. La gráfica de fase es igual a una constante de n90º.
Grados en en funcion a “n”
Si tenemos 1 cero la fase será 90º Si tenemos 2 ceros la fase será 180º Si tenemos 3 ceros la fase será 270º=-90º Si tenemos 4 ceros la fase será 360º=0º Si tenemos 5 ceros la fase será 90º … Esto sucede por un tema numérico de Matlab y normalmente sólo pasa cuando la función de transferencia de la que se dibuja el Bode tiene el grado del numerador mayor que el del denominador 40
Bode Diagram
40
150
0 -20
1 G s 2 s
-80 -179 -179.5
0
G s s
0.5
1
10
0
1
-180.5
-1
50
-100
-180
10
100
-50
Phase (deg)
-40 -60
Phase (deg)
Magnitude (dB)
Magnitude (dB)
20
-181
Bode Diagram
200
0 -0.5 -1
2
10
10
-1
10
0
Bode Diagram
Bode Diagram
80
0
Magnitude (dB)
Magnitude (dB)
10
60
1 G s 6 s
-100 -200 -300 -539
0
1
10 Frequency (rad/sec)
G s s
2
180.5
41 10
0
181
-540.5
10
20
-40
-540
-1
40
-20
Phase (deg)
-539.5 Phase (deg)
2
10 Frequency (rad/sec)
100
-541
1
10
Frequency (rad/sec)
200
4
2
10
180 179.5 179
-1
10
0
1
10
10 Frequency (rad/sec)
2
10
Bode asintótico: respuesta de un polo simple
2 0 (bajas frecuencias) 10 log(1 2 ) 0 p ( 1) 10 log1 0 dB 0º p
(1/3)
GH ( j )
20 log GH ( j ) 20 log
1
1 j p
GH ( j ) arctg ( ) p
(altas frecuencias) 20 log 1 20 log p2 p 2
1
10 log(1
2 ) [dB] p2
Cuando /p=1 la aproximación de alta frecuencia es igual a la aproximación de baja frecuencia y también =-45º /p=1 = frecuencia de corte (de transición) Cuando /p=10, el log de la amplitud es de –20 dB 42
1 j p
( p 1)
20 log
p
90º
(2/3)
Bode asintótico: respuesta de un polo simple = /p=1 = frecuencia de corte: c
la frecuencia a la que se encuentran las dos asíntotas Pendiente = -20 dB/década Curva exacta
/p=0.1 real
c asintótico
Pendiente = -45º/dec /p=10
43
La frecuencia de corte divide la curva de la respuesta de frecuencia en dos regiones: una curva (línea de 0 dB) para la región de baja frecuencia (0≤ /p≤1 ) y una curva (línea recta con pendiente –20 dB/década) para la región de alta frecuencia (1< /p<). El error máximo se produce en la frecuencia de transición.
Resumen:
Magnitud: Una
línea constante hasta la posición del polo Una línea que cae 20 dB en cada década a partir del polo
Fase: 0
hasta una década por debajo del polo. -90 a partir de una década después del polo.
44
Ejemplos Bode Diagram
0
Magnitude (dB)
-5 -10 -15 -20
GH s
-25
Phase (deg)
0
-45
-90
0
10
45
1
10
Frequency (rad/sec)
2
10
10 s 10
Ejemplos Bode Diagram
0
Magnitude (dB)
-5 -10 -15 -20
GH s
-25
Phase (deg)
0
-45
-90
1
10
46
2
10
Frequency (rad/sec)
3
10
100 s 100
(2/8)
Bode asintótico: polos complejos conjugados
20 log G ( j ) 20 log
1
1 2 j n
Para bajas frecuencias tales que
n
j n
2
2
20 log 1 2 2 n n 2
2
20 log G ( j ) 20 log1 0 db
La asíntota de baja frecuencia es una línea horizontal a 0 db.
Para frecuencias elevadas tales que
n
Las asíntotas son independientes del valor de ρ 47
2 20 log G ( j ) 20 log 2 -40log 40log n db n La asíntota de alta frecuencia es una línea recta con pendiente de –40 db/década que pasa por 0 dB cuando =n Frecuencia de corte para el factor cuadrático
Bode: polos complejos conjugados (5/8)
El ángulo de fase de G(j):
G ( j )
2 n
G ( j ) arctg 0 0º n 90º 180º
2
1 n
1 2 j n
j n
El ángulo de fase depende tanto de como de ρ
En la frecuencia de transición el ángulo es –90º independientemente de ρ
En la frecuencia en que se produce el pico de resonancia =r: 48
1
1 2 2 arctg
2
Bode asintotico : polos complejos conjugados Caso ρ< 0.707 (caso con resonancia)
(6/8)
Asíntotas r frecuencia de resonancia Real 20logMr
Pico de resonancia
La amplitud de la salida se ve amplificada a ciertas frecuencias y es máxima para r,, creciendo inversamente con
0
M r
-40dB/dec n frecuencia de corte Ejemplo para n=1 y ρ=0.1
r n 1 2 2
0.1 n
1 2(0.1) 2 0.9899 -90º/dec
49
Mr 10 n
1 2 1
2
1 2(0.1) 1 (0.1)
2
5.0252
Resonancia En la resonancia la amplitud de la oscilación es muy grande. Si un sistema mecánico entra en resonancia puede ocurrir que se destruya. Puente
antes
50
durante su destrucción (7.11.1940)
Bode: polos complejos conjugados (7/8)
Caso ρ> 0.707 (caso sin resonancia)
-40dB/dec
n frecuencia de corte
Sin resonancia, la atenuación es monótonamente decreciente, con pendiente -40dB por década para frecuencias superiores a n Ejemplo para n=1 y ρ =0.8 Mr 0
-90º/dec Asíntotas Real 51
Bode: polos complejos conjugados (8/8)
Comparación de la respuesta en frecuencia cuando se modifica el parámetro (ρ) Respuesta del logaritmo de la magnitud normalizada y escalada
52
Bode: ceros complejos conjugados
53
Bode Asintótico : ejercicio1 R(s)
+
-
10 s ( s 1)( s 5)
Se pide obtener el diagrama de Bode asintótico y determinar, M.G y M.F Forma de Bode:
10 s ( s 1)( s 5) 10 G ( jw) H ( jw) jw( jw 1)( jw 5) 2 G ( jw) H ( jw) jw jw jw(1 )(1 ) 1 5 G(s) H (s)
54
Y(s)
Bode Diagram
100 80
-20db/dec
60
Magnitude (dB)
40
M.G.=8dB
-40db/dec
20
20log2=6 dB
0 -20
1/jw
-40 -60
-60db/dec
-80 -100 -90
Phase (deg)
-135
M.F=21° -180
-225
-270
W 1=1.35 -2
10
-1
10
0
1
10
Frequency (rad/sec)
W π=2.4
5
10
2
10
n=[0
0 0 10 ]; d=[1 6 5 0 ]; bode(n,d);grid [mg mf wpi w1 ]=margin(n,d) Gbod=20*log10(mg)
57
M.G.=10 dB
M.F=
EJERCICIO2.- TRAZAR BODE ASINTOTICO DE: G(S ) H (S )
2500( S 10) S ( S 2)( S 2 30S 2500)
Forma de Bode: Para trazo asintótico j 5(1 ) 10 G ( j ) H ( j ) j j 30 j 2 j (1 )(1 ( ) ) 2 50 50 50
60
Programa Matlab
Se tiene: n=[0 0 0 0 2500 25000 ]; d=[1 32 2560 5000 0 ]; bode(n,d);grid [mg mf wpi w1 ]=margin(n,d) Gbod=20*log10(mg)
61
62
mg = 26.9405 mf = 48.5831 wpi = 47.5445 w1 = 2.9398 Gbod = 63
28.6081
Bode: ejercicio3 R(s)
+
-
1 s (0.5s 1)( s 1)
Se pide obtener el diagrama de Bode para el lazo cerrado y también el pico de resonancia, la frecuencia de resonancia y el ancho de banda.
Pico_resonancia =5.2388 Frec_resonancia = 0.7906 ancho_banda = 1.2649
64
Y(s)
numg=[0 0 0 1]; deng=[0.5 1.5 1 0]; G=tf(numg,deng); T=(G,1); w=logspace(-1,1); bode(T,w); grid [mag,fase,w]=bode(T,w); [Mr,i]=max(mag); M_r=20*log10(Mr) Wr=w(i) % Calcular el ancho de banda n=1; while 20*log10(mag(n))>=-3; n=n+1; end ancho_banda=w(n)
65
ESTABILIDAD CON DIAGRAMA DE BODE