[Diapositivas Tema 7: Diseño en el dominio de la frecuencia]

Universidad de Oviedo
Diseño en el dominio de la frecuencia
Tema 7
2006
Sistemas Automáticos
1
Universidad de Oviedo
Índice
•
•
•
•
2006
Respuesta frecuencial en bucle cerrado
Red de adelanto de fase
Red de atraso de fase
Compensación de adelanto-atraso
Sistemas Automáticos
2
Universidad de Oviedo
Respuesta frecuencial
en Bucle Cerrado
Planta
Regulador
+
K
-
Captador
H0
Función de transferencia en bucle
cerrado:
2006
Sistemas Automáticos
3
Universidad de Oviedo
Respuesta frecuencial
en Bucle Cerrado
A la frecuencia de cruce de ganancia,
Relación entre
frecuencia de cruce de
ganancia y ancho de
2006
banda
Sistemas Automáticos
c
Relación entre
Margen de Fase (MF)
y Frecuencia de
resonancia (Mr)
4
Universidad de Oviedo
Especificaciones
Principales parámetros de diseño
Frecuencia de cruce
de ganancia, c
Velocidad de respuesta
bw, tr, ts
Margen de fase (MF)
Sobreoscilación y resonancia
, Mp, Mr
Ganancia en baja frecuencia
2006
Errores en régimen permanente
Kp, Kv, …
Sistemas Automáticos
5
Universidad de Oviedo
Especificaciones
Relación entre MF y factor de amortiguamiento
MF =
2
1+ 4
4
2
2
MF
100
MF(º)
2006
Sistemas Automáticos
6
Universidad de Oviedo
Especificaciones
Relación entre MF y resonancia
Mr
MF(º)
2006
Sistemas Automáticos
7
Universidad de Oviedo
Especificaciones
Relación entre MF y sobreoscilación Mp
Mp
MF(º)
2006
Sistemas Automáticos
8
Universidad de Oviedo
Red de Adelanto de Fase
Cero puro
2
… pero no es realizable
(K=1)
3
w=0.2
…y amplifica ruidos
de alta frecuencia
Aporta hasta
90º de fase
2006
Sistemas Automáticos
1
9
Universidad de Oviedo
Red de Adelanto de Fase
Cero + Polo
2
ES realizable
(K=1)
w=1/ T
3
Mantiene acotados
niveles de ruido HF
w=1/T
max
2006
Aporta fase
(menos de 90º)
Sistemas Automáticos
1
10
Universidad de Oviedo
Red de Adelanto de Fase
Mayor ancho
de banda
Efectos sobre Mr y
Ancho de Banda
Menor ts
Mayor rapidez
compensador
Sistema b.a.
compensado
Sistema b.a.
sin compensar
Mayor MF
2006
Sistemas Automáticos
Menor
sobreoscilación
11
Universidad de Oviedo
Red de Adelanto de Fase
Anatomía del Compensador
(K=1)
20 log10 |1/ |
20.log10 1/
Frecuencia de
máximo aporte
2006
Sistemas Automáticos
12
Universidad de Oviedo
Red de Adelanto de Fase
Máximo aporte en función de
Máximo incremento de fase
aportado por la compensación de adelanto
max
1/
2006
Sistemas Automáticos
13
Universidad de Oviedo
Ejemplo
Solución propuesta:
La ganancia del
regulador ha de
ser al menos 10
2006
Sistemas Automáticos
14
Universidad de Oviedo
Ejemplo
Mp
Mp=25%
MF(º)
2006
Sistemas Automáticos
El MF ha de ser
al menos 45º
15
Universidad de Oviedo
Ejemplo. Medición del margen de fase
Bode (Amplitudes)
60
40
20
0
-20
-40
-60
-2
10
-1
10
0
10
1
10
2
10
Bode (Fases)
-80
Hacen
falta 25º
más
-100
-120
-140
-160
-180
-2
10
2006
MF@20º
-1
10
0
10
Sistemas Automáticos
1
10
2
10
16
Universidad de Oviedo
Ejemplo
Máximo incremento de fase
aportado por la compensación de adelanto
max
40º
1/ ~ 5 1/
= 0.2
2006
Sistemas Automáticos
17
Universidad de Oviedo
Ejemplo. Colocación de la red.
Bode(Amplitudes)
60
40
1
20 log 10
20
7 dB
0
-7
-20
-40
-60
-2
10
2006
-1
10
0
10
4.3
Sistemas Automáticos
1
10
2
10
18
Universidad de Oviedo
Ejemplo. Controlador
c=
1
=
T
cg
1
p=
= 9 .61
T
= 1 .923
1
1
s + 1.92
0.521 = 10 0.521s + 1
= 10
C ( s ) = 50
1
0 .2 s +
0.2 0.521s + 1
s + 9.61
0.2 0.521
s+
2006
Sistemas Automáticos
19
Universidad de Oviedo
Ejemplo. Respuesta ante escalón
Step Response
1.8
1.6
C(s) = 10
1.4
C(s) = 1
Amplitude
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
2
4
6
8
10
12
Time (sec)
2006
Sistemas Automáticos
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Universidad de Oviedo
Ejemplo
K=10; a = 0.2; T=1;
2006
Sistemas Automáticos
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Universidad de Oviedo
Ejemplo
K=10; a = 0.2; T=.2;
2006
Sistemas Automáticos
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Universidad de Oviedo
Ejemplo
K=10; a = 0.2; T=.5;
Controlador final:
2006
Sistemas Automáticos
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Universidad de Oviedo
Ejemplo
Simulación de la respuesta
Mp < 25%
ev=10%
2006
Sistemas Automáticos
24
Universidad de Oviedo
Ejemplo
Consideraciones finales
• Valores mayores de permiten añadir más ángulo,
pero producen acciones PD más puras que pueden
incrementar el ruido….
• Si necesitamos aportar más de 60º podemos utilizar
una doble compensación de adelanto:
• Si nos piden alguna especificación relacionada con
la velocidad de respuesta debemos ajustar el ancho
de banda del sistema final a través de la wc
Puede incrementarse
jugando con la K
2006
Sistemas Automáticos
25
Universidad de Oviedo
Red de Adelanto de Fase
Procedimiento de diseño
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
2006
Determinar la ganancia en bucle abierto K, necesaria para
satisfacer requisitos de reg. permanente
Determinar la frecuencia de cruce de ganancia wc con un
factor de seguridad de 2 por debajo del ancho de banda
deseado
Evaluar el MF necesario aportar al sistema sin compensar,
KG. Añadir de 5º a 12º extra por seguridad.
Determinar
Determinar T de prueba (trae cuenta elegir como
frecuencia central de la red, el punto donde la curva de
módulos cae 20.log10|1/ |)
Dibujar la respuesta del sistema sin compensar KG(jw), y
la del sistema compensado C(jw)G(jw). Comprobar el MF
e iterar para otro valor de T si es necesario
Comprobar el diseño simulando la respuesta. Añadir otra
compensación de adelanto si fuera necesario.
Sistemas Automáticos
26
Universidad de Oviedo
Red de Retardo de Fase
Produce un
incremento de la
ganancia en
bajas
frecuencias
…sin afectar a
la respuesta
del sistema en
altas
frecuencias
Produce una
merma en la
fase que
tiende a
disminuir el
MF
2006
Sistemas Automáticos
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Universidad de Oviedo
Red de Retardo de Fase
Incrementando ganancia a bajas frecuencias
CGH
C
No modifica ni magnitud ni fase a
altas frecuencias, respetando el
transitorio
GH
Elevada ganancia a baja
frecuencia (= 20.log )
El MF no se ve afectado
El descenso en fase se
produce en un punto donde
no afecta al MF
2006
Sistemas Automáticos
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Universidad de Oviedo
Red de Retardo de Fase
Incrementando MF a base de disminuir
Disminuye la frec. de cruce de
ganancia sin tocar la fase. A
frecuencias menores las fases son
mayores.
GH
C
c
c1
CGH
No modifica ni magnitud ni fase a
bajas frecuencias
c2
Con la nueva
mayor.
c,
el MF es
MF2~50º
MF1~20º
2006
Sistemas Automáticos
29
Universidad de Oviedo
Ejemplo
Diseñar un compensador para:
Vemos que la Kp del sistema
que nos dan es 9…
2006
Sistemas Automáticos
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Universidad de Oviedo
Ejemplo
Bode del sistema sin compensar
…pero su MF es inferior a 25º
(en torno a 7º)
2006
Sistemas Automáticos
31
Universidad de Oviedo
Ejemplo
Disminuyendo la K, aumentamos MF hasta ~30º
La ganancia en BF
es ahora 4.5 (~13dB)
c~1 rad/s
Pero ahora el
MF es mayor…
MF~30
2006
Sistemas Automáticos
32
Universidad de Oviedo
Ya tenemos el MF deseado, pero necesitamos restaurar de nuevo la
ganancia Kp=9… hay que multiplicar por 2 la ganancia en bajas
debemos hacerlo
sin tocar el MF
Elegimos =2
La T la elegimos de forma que el codo superior esté
entre una octava (dividir por dos) y una década (dividir por 10)
por debajo de la nueva frecuencia de cruce c
… por ejemplo,
lo intentamos con 1/5 de
c~1
2006
c
1/T = 1/5
Sistemas Automáticos
T=5
33
Universidad de Oviedo
Ejemplo
Aplicando la red de Retraso
KGH (sist. con
compensado
proporcional)
CGH (sist. compensado)
GH (sist. sin compensar)
C (Compensador)
Aumentamos la ganancia
en bajas frecuencias…
…sin afectar
al MF
MF~28º
2006
Sistemas Automáticos
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Universidad de Oviedo
Ejemplo
Simulación ante un escalón
Mp~45%
Como era de esperar
el sistema sale bastante oscilatorio
dado el escaso MF (~28%)
que nos pusimos como meta…
2006
Sistemas Automáticos
35
Universidad de Oviedo
Ejemplo
Calculamos la sobreoscilación que tendrá el sistema
Mp
Mp~45%
MF~28º
2006
MF(º)
Sistemas Automáticos
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Universidad de Oviedo
Red de Retardo de Fase
Procedimiento de diseño
1.
2.
3.
4.
5.
6.
2006
Determinar la ganancia en bucle abierto K, necesaria para
satisfacer el MF sin emplear otra compensación
Dibujar el Bode del sistema con la compensación
proporcional anterior (KGH) y evaluar la ganancia en baja
frecuencia y la nueva c
Determinar necesario para conseguir la ganancia en
baja frecuencia requerida por las especificaciones de
permanente
Determinar T de prueba eligiendo como frecuencia de
corte superior =1/T en torno a una octava (1/2) o una
década (1/10) por debajo de la c determinada en el
segundo punto
La frecuencia de corte inferior estará a = 1/( T)
Comprobar el diseño simulando la respuesta y retocando
las elecciones de puntos anteriores si es preciso.
Sistemas Automáticos
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Universidad de Oviedo
Compensación PID
Forma Básicas:
2006
Sistemas Automáticos
38
Universidad de Oviedo
Compensación PID
Procedimiento de diseño
Diseñar las dos partes secuencialmente
Diseñar las dos partes en conjunto
Parámetros a diseñar ( , Td, , Ti, K)
Procedimientos Específicos
Diseño conjunto:
Cfr. [Puente91], [Blasco00],[Franklin94]
Método empíricos:
Cfr. Metodo de Ziegler-Nichols [Ogata]
2006
Sistemas Automáticos
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Universidad de Oviedo
Compensación PID
Ejemplo [cfr. Franklin, pp. 408 y ss]
Diseñar PID para obtener:
erpp~0
MF ~65º
2006
Sistemas Automáticos
40
Universidad de Oviedo
Compensación PID
Ejemplo
El sistema es altamente
inestable al realimentar
(fase muy negativa)
2006
Sistemas Automáticos
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Universidad de Oviedo
Td = 0, Ti = 200
1/Ti=0.005
2006
Sistemas Automáticos
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Universidad de Oviedo
Td = 20, Ti=200
2006
Sistemas Automáticos
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Universidad de Oviedo
Td=10, Ti=200
2006
Sistemas Automáticos
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Universidad de Oviedo
Td=5, Ti=200
2006
Sistemas Automáticos
45
Universidad de Oviedo
Td=2, Ti=200
2006
Sistemas Automáticos
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Universidad de Oviedo
Hay que bajar la
línea verde hasta el 0db
sin tocar la fase
Td=10, Ti=200
bajar~26dB
2006
Sistemas Automáticos
K=1/20 = 0.05
47