1. Breves Apuntes de la Transformada de Laplace

Transcripción

1 Ingeniería de Sitema. Breve Apunte de la Tranformada de Laplace Nota: Eto apunte tomado de diferente bibliografía y apunte de clae, no utituyen la diapoitiva ni la explicación del profeor, ino que complementan a la clae preenciale. Tranformada Directa de Laplace La técnica de la tranformada de Laplace e utiliza para la reolución de ecuacione diferenciale lineale de coeficiente contante, tranformando eta en ecuacione algebraica lineale. La tranformada de Laplace de una función f ( t) e define como L f () t = F() = f () t e t dt, = σ jω 0 (.) paando del dominio temporal t al dominio complejo, iendo F ( ) llamada tranformada de Laplace de f ( t), formando el par f () t F() (.) Ejemplo: f ()= t f ()= t e at t F () = e dt=, > 0 0 at t ( a) t F () = e e dt= e dt= 0 0 ( a), > a La definición de la tranformada hace necearia que la integral converja, por lo tanto e ha de cumplir que lim f ( t) e t t = 0 (.)

2 Propiedade de la Tranformada de Laplace Ingeniería de Sitema Se exponen un conjunto de propiedade de la tranformada que harán má fácil u cálculo. a) Linealidad b) Deplazamiento Laf() t a f() t = af() af() (.4) t L f ( t T) u( t T) = e F( ) (.5) c) Amortiguación d) Derivación at Le f() t = F ( a) (.6) En el cao má general L f '( t) = F( ) f ( 0 ) (.7) n) n n n n ) L f () t = F() f ( ) f '( ) f 0 0 ( 0) (.8) Eta propiedad e muy útil para la reolución de ecuacione diferenciale. e) Integración L t F () f () t dt = 0 f () t dt (.9) f) Multiplicación por potencia de t n n n) Lt { f( t)} = ( ) F ( ) (.0)

3 Ingeniería de Sitema Se incluye una tabla de tranformada de Laplace má frecuente (Tabla.). f () t F () f () t F () ( t ) enbt b ut () t t n n! n e at t n e at a n! ( ) a n Tabla. Tranformada de Laplace má frecuente. b cobt b at e en bt b ( a) b at e co bt a ( a) b ten bt b ( b ) tco bt b ( b ) Si e deea una tabla ma completa, acuda a la bibliografía recomendada [8], o a lo recuro de la Web. La aplicación de la tranformada de Laplace a la ecuacione diferenciale que definen un itema conduce a la expreión en ecuacione algebraica de la tranformada de la alida del itema en función de la tranformada de la entrada al mimo. Ejemplo: con y( 0) = ; y'( 0) = 4 y'' 9y' y = u Aplicando la tranformada a ambo miembro Y () y() 0 y'() 0 9( Y () y()) 0 Y () = U() Y ()( 9 ) = U () 4 reultando la ecuación algebraica ( 4) Y () = U() ( ) 9 ( 9 )

4 Tranformada Invera de Laplace Ingeniería de Sitema La tranformada invera de Laplace recupera una función y( t) a partir de u tranformada Y( ), egún t L { Y( )} = Y( ) e d = σ j yt (), t 0, t < 0 σ j 0 (.) El cálculo de la tranformada invera no e uele hacer egún u fórmula de definición, ino aprovechando el conocimiento de la tranformada directa. En la mayoría de la ituacione que e van a encontrar, la Y( ) cuya tranformada invera e quiere hallar e una función racional N() Y () = (.) D () con gra do( N ( )) < grado( D( )), procediéndoe a la diviión directa en cao contrario. El cálculo de la tranformada invera e realizará decomponiendo Y() en fraccione parciale. Para ello e calculan la raíce del denominador D (), D ()= 0 (.) La reolución de eta ecuación llamada ecuación caracterítica da como reultado un conjunto de raíce (cero) p, p,, p n con grado de multiplicidad r, r,, en general compleja. r n La decompoición en fraccione e hará de la forma N() K K K r Y () = = D () ( p ) ( p ) ( p ) K K Kr Kn Knrn r ( p ) ( p ) ( p ) ( p ) ( p ) n r n rn (.4) que El cálculo de lo coeficiente K ij e hará mediante el método de lo reiduo, tal ) para raíce con grado de multiplicidad (imple), K = Y()( p ), k =, l (.5) k k = pk iendo l el número de raíce imple con p = σ jω. k k k

5 Ejemplo: Y () = ( )( 4) Ingeniería de Sitema La ecuación caracterítica poee do raíce imple, Y () = K K ( ) ( 4) con K = ( 4) = = K = ( ) = 4 = 5 Y () = 5 ( ) ( 4) ) para raíce p k con grado de multiplicidad r (repetida) K kr j = ( j )! j d r lim j (( pk) Y( )) (.6) pk d donde j =,, r y k =,, l, con l raíce ditinta Ejemplo: Y () = 4 ( ) La ecuación caracterítica poee una raíz triple Y () = K K K ( ) ( ) ( ) con K = lim( ) Y( ) = lim 4 = 5 K K d = lim (( ) Y( )) = lim 8 = 6 d d = lim (( ) Y( )) = lim 8= 4 d Y () = ( ) ( ) ( )

6 Ingeniería de Sitema Una vez determinada la K ij e procederá a calcular y( t) utilizando la relacione F () f() t expueta en la tabla de la Figura aplicada a la fraccione obtenida de la decompoición, tale que ) para raíce reale imple p pt e u() t (.7) ( p) ) para raíce reale múltiple p n! ( p) n n pt t e u() t (.8) ) para raíce compleja imple p = α jω ω αt e en ωt u( t) ( α) ω (.9) ( α) αt e co ωt u( t) ( α) ω (.0). Función de Tranferencia La función de tranferencia G ( ) de un itema lineal etá definida como la relación entre la tranformada de Laplace de la alida Y( ) y la tranformada de la entrada X ( ), bajo la upoición de condicione iniciale nula, tal que G () = Y () X() cond. inic =0 (.) En forma general, dado un itema definido por la ecuación diferencial n) n ) m) ay a y ay' ay= bu bu' bu (.) n n 0 m 0 tomando tranformada en ambo miembro m) Y () b m b b0 = G () = n) n ) X() a a a a n n 0 (.) La función de tranferencia e una propiedad del itema en í, ya que no depende de la entrada al itema. Se paa pue de repreentar un itema que viene dado por u ecuación diferencial en la forma de función de tranferencia.

7 Ingeniería de Sitema Eta forma de repreentación correponde a la decripción externa, la cual no provee ninguna información de la etructura interna del itema. Má aún, la función de tranferencia de itema ditinto puede er la mima. A la potencia má alta del denominador e le denomina orden de un itema. Ejemplo: y'' 6y' 8y = x' 5 x Y () 6Y () 8YS ( ) = X() 5X() Y) G () = = X() 5, itema de orden. 6 8 Cao de Sitema Multivariable Si un itema tiene varia entrada r(), t r(), t, rm () t y/o varia alida y(), t y(), t, yn () t (ver Figura.9.), exite una función de tranferencia Gij ( ) que relaciona cada alida Yi ( ) con cada entrada Rj ( ), cuando la demá entrada on nula G ij () = Yi () R () j cond. inic= 0; Rk = 0, k j (.4) con i =,, ny j =,, m. r y r m y n Figura Error! No hay texto con el etilo epecificado en el documento..9. Sitema de Múltiple Entrada y Salida. Por tanto, la funcione de alida Y ( ), Y ( ),, Y ( ), erán Y () = G () R () G () R () G () R () m m Y () = G () R () G () R () G () R () (.5) m m Y () = G () R () G () R () G () R () n n n nm m n

8 Ingeniería de Sitema. Diagrama de Bloque e Implementación Lo diagrama de bloque, también llamado caja negra, on una repreentación gráfica de la ecuacione tranformada de Laplace, contituido por un conjunto de ímbolo, a aber: a) Bloque: Indica una relación entre do eñale tranformada X () e Y( ) a travé de la G ( ) que la relaciona egún decrito en Figura 0. Y() = G() X () (.6) X G() Y Figura Error! No hay texto con el etilo epecificado en el documento..0. Bloque. b) Sumador: Produce la uma de la eñale incidente egún Figura. Y () = X() (.7) i X X Y X Figura Error! No hay texto con el etilo epecificado en el documento... Sumador.

9 c) Unión: Ingeniería de Sitema Repreenta un punto de reparto de la eñal incidente egún Figura. X Figura Error! No hay texto con el etilo epecificado en el documento... Unión. Conocido el diagrama de bloque de un itema e pueden efectuar modificacione con objeto de implificar o reducir el diagrama original, hata un punto tal que quede un olo bloque. Exiten un conjunto de implificacione útile, y e decriben la iguiente: a) Bloque en Cacada: e equivalente al producto de bloque (Figura ). G () = G () G () (.8) X G () G () Y Figura Error! No hay texto con el etilo epecificado en el documento... Bloque en Cacada. b) Bloque en Tándem: e equivalente a la uma/reta de bloque (Figura 4.) G () = G() ± G () (.9) X G () Y - G () Figura Error! No hay texto con el etilo epecificado en el documento..4. Bloque en Tándem.

10 Ingeniería de Sitema c) Bloque en Realimentación: La alida del itema e realimenta para que junto con la referencia determine la entrada al itema, egún Figura 5. X G() Y - H() Figura Error! No hay texto con el etilo epecificado en el documento..5. Bloque en Realimentación. La función de tranferencia equivalente e G () GT () = (.0) ± GH () () con igno o - egún ea la realimentación negativa o poitiva repectivamente. d) Unión hacia adelante: egún Figura 6. X G () G () Y Y X G () G () Y /G () Y Figura Error! No hay texto con el etilo epecificado en el documento..6. Unión Hacia Adelante.

11 e) Unión hacia detrá: egún Figura 7. Ingeniería de Sitema X G () G () Y Y X G () G () Y G () Y Figura Error! No hay texto con el etilo epecificado en el documento..7. Unión Hacia Detrá. El procedimiento de reducción de diagrama de bloque de itema de múltiple entrada y alida e imilar al decrito. Para mayor detalle, aita a la clae y conulte la Web. Bibliografía recomendada para ete capítulo: [7][8][9]. Bibliografía de la aignatura: [] Contínuou ytem modelling. F. Cellier. Springer Verlag, 99 [] Dinámica de itema. Aracil-Gordillo. Alianza Univeridad Texto. [] Nonlineal Syten. Vol.. Dynamic and Control. Mohler. Prentice-Hall. [4] Modeling and Simulation of dynamic ytem. Wood. Prentice-Hall [5] Simulation Fundamental. B.S. Bennet. Prentice-Hall, 995. [6] Modelling and Simulation of Dynamic Sytem, R. Wood y K. Lawrence. Prentice Hall, 997. [7] Modelado y Simulación de Sitema, J. Fernandez de Canete y I. García-Moral. Dpto. de Ing. de Sitema y Automática, 996. [8] Ingeniería de Control Moderna. K. Ogata. Prentice Hall, 998. [9] Dinámica de Sitema. J. Fernandez de Cañete y I. García-Moral. Dpto. de Ing. de Sitema y Automática, 997.