Estudio Frecuencial de Sistemas Continuos de 1 er y 2º Orden

Transcripción

1 Uiversidad Carlos III de Madrid Departameto de Igeiería de Sistemas y Automática SEÑALES Y SISTEMAS Práctica Estudio Frecuecial de Sistemas Cotiuos de 1 er y º Orde

2 Estudio frecuecial de sistemas cotiuos de primer y segudo orde 1 Itroducció Teórica Se cooce como respuesta frecuecial de u sistema a la respuesta del mismo, e régime permaete, cuado se utiliza como señal de etrada ua seoide. La respuesta de u sistema lieal estable a ua señal de excitació de tipo seoidal, es otra señal seoidal de la misma frecuecia que la de etrada, pero que difiere de ella e los valores de su amplitud y de su águlo de fase. La amplitud de la señal de salida y su águlo de fase so fució de la frecuecia. La señal seoidal que aplicaremos a uestro sistema vedrá dada por: r(t)= A* se(ωt) (1) siedo A la amplitud y ω (rad/s) la pulsació de la señal. La señal de salida es tambié seoidal e la medida e que el sistema es lieal. La represetamos por: y(t)= B* se(ωt+φ) () siedo B la amplitud y φ el desfase e radiaes. A B r(t) y(t) t Figura 1.- Represetació de la salida de u sistema lieal frete a ua etrada seoidal. La represetació gráfica de la respuesta e frecuecia se deomia diagrama de Bode. La fució de trasferecia seoidal G(jω) es ua fució compleja que puede ser represetada por sus curvas de módulo (gaacia) y de argumeto (águlo de fase). E los diagramas de Bode se represeta la fució de trasferecia G(jω) mediate dos curvas separadas. E ua de ellas se muestra la gaacia e escala logarítmica G(jω) db, respecto de la frecuecia, tambié e escala logarítmica; y e la otra el águlo de fase ψ(jω), e grados e escala atural, respecto de la frecuecia e escala logarítmica. E u papel semilogarítmico (como el que se icluye al fial de la práctica) la propia subdivisió del papel realiza la escala logarítmica de la frecuecia. Para escala de gaacias (módulos) se suele utilizar como uidad de medida el decibelio: [ db] 0log G( jω) 0log A( ω) G( jω) = (3) Págia

3 Objetivo de la Práctica Estudio frecuecial de sistemas cotiuos de primer y segudo orde Se pretede realizar u aálisis frecuecial de dos sistemas distitos mediate aálisis de su respuesta () ate ua etrada seoidal de amplitud A y frecuecia variable ω, (1) es decir mediate sus respuestas e frecuecia. Así mismo, se pretede utilizar dichos aálisis para adaptar los dos sistemas reales a u modelo de Sistema de Primer Orde y otro modelo de Sistema de Segudo Orde, respectivamete. El objetivo pricipal de esta práctica es que el alumo apreda a sacar el máximo de iformació de u sistema a partir de su respuesta e frecuecia. Ambos sistemas que se va a aalizar costa de u motor de corriete cotiua que gira a ua velocidad depediete de la tesió de alimetació. La maqueta empleada es la misma que e la práctica 1; e el guió de dicha práctica aparece las características del motor y u esquema del pael de coexioes. E dicha práctica, este sistema se ha modelado como u sistema de primer orde cuyo diagrama de bloques del modelo viee represetado por la figura. E esta práctica queremos comprobar e qué medida el motor se comporta como u sistema de primer orde (modelo) U K 1i K m 1 + Ts ω K Amplificador Tacodiamo Motor i = 1,, 3 Figura.- Diagrama de bloques de la maqueta de la práctica. E la figura aterior K 1i represeta cada ua de las gaacias del amplificador y K es la costate de la tacodiamo. El sistema a cosiderar tiee por gaacia estática K i que es igual al producto K 1i K m K, y la fució de trasferecia es: G ( s) K' i = Ts + 1 (4) E la práctica 1 tambié aalizábamos el sistema realimetado (figura3), al que asociamos u modelo de sistema de segudo orde cuya Fució de Trasferecia, e relació al sistema de primer orde es: M ( s) dode K i =K li K m K 3 s ' Ki T 1 K + s + T T = (5) ' i Págia 3

4 Estudio frecuecial de sistemas cotiuos de primer y segudo orde + - K1i Amplificador K m ω K 3 1+ Ts s Motor Ecoder θ Figura 3.- Sistema realimetado. Vamos a utilizar como señal de excitació del motor ua seoide de frecuecia variable que obtedremos a través de u geerador de señal. Para ajustar las posibles gaacias del amplificador se dispoe de u poteciómetro ubicado e la caja de boras juto co el resto de coectores, que os permitirá coectar las etradas y salidas de los diferetes módulos, así como ver mediate el osciloscopio la respuesta del sistema. E la parte izquierda del pael de coexioes hay u selector de modo de fucioamieto. Para esta práctica debe seleccioarse ±5 V como rago de etrada. Para realizar el aálisis de ambos sistemas se deberá dibujar sus diagramas de Bode de amplitud y fase, cosiderado que la salida del sistema, cuado a la etrada se la preseta ua señal seoidal, es otra seoide de la misma frecuecia y desfasada u cierto águlo respecto de la primera, fució de la frecuecia. Es acosejable medir las tesioes e el osciloscopio de pico a pico, para así poder filtrar posibles asimetrías del motor e cuato a su setido de giro. Así mismo, se acoseja tambié medir los desfases temporales etre los máximos de las dos señales. 3 Sistema de Primer Orde A.- Represetar e papel semilogarítmico los putos experimetales referidos a la Gaacia e db y Fase e grados frete frecuecia agular (G db vs. w(rad/s) ; Φ(º) vs. w(rad/s)) B.- Sobre los putos experimetales represetados dibujar los diagramas asitóticos de Bode tato e gaacia como e fase. Obteer gráficamete, los parámetros del sistema (costate de tiempo T y gaacia K) C.- Comprobar los resultados obteidos e los apartados ateriores utilizado MATLAB. Ejemplo de aplicació: Sea el sistema de fució de trasferecia: G(s) = K/(Ts+1) - defiimos los poliomios del umerador y deomiador (MATLAB):» um=[k]» de=[t 1]» bode(um,de) Págia 4

5 4 Sistema de Segudo Orde Estudio frecuecial de sistemas cotiuos de primer y segudo orde A.- Represetar e papel semilogarítmico los putos experimetales referidos a la Gaacia e db y Fase e grados frete frecuecia agular (G db vs. w(rad/s) ; Φ(º) vs. w(rad/s)) para las posicioes de la gaacia del amplificador K 1 y K 3 B.- Sobre los putos experimetales represetados dibujar los diagramas asitóticos de Bode tato e gaacia como e fase. Aalizar las figuras obteidas para cocluir qué tipo de sistema de segudo orde se ajusta mejor a los datos empíricos: polos reales distitos, polo doble, o polos complejos cojugados. A partir de este aálisis obteer uos valores de los parámetros del modelo Sistema de Segudo Orde: w y ζ (frecuecia atural del sistema y coeficiete de amortiguamieto) C.- Comprobar los resultados obteidos e los apartados ateriores utilizado MATLAB. Ejemplo:» um=[w^]» de=[1 *d*w w^]» bode(um,de) NOTAS Para realizar el diagrama de Bode, comezar co ua frecuecia de 0.1 Hz, e ir aumetado. Seleccioar ua amplitud suficiete para que el motor gire co soltura, pero si llegar a la velocidad máxima. Esta amplitud será distita para las posicioes 1 y 3 del poteciómetro, ya que varía la gaacia total del sistema (co la misma tesió de etrada, el motor gira mucho más deprisa e la posició 3 que e la 1). 5 Coclusió Realizar ua coclusió fial relacioada a los resultados obteidos e la práctica. 6 Visió Geeral del Alumo Cometarios persoales relativos a la práctica. Págia 5

6 Estudio frecuecial de sistemas cotiuos de primer y segudo orde APENDICE Diagrama de Bode de u sistema de primer orde Dado u sistema de primer orde, cuya fució de trasferecia viee dada por la fórmula (4) operamos para obteer ua expresió de su módulo y de su fase: G ( j ) K' G( jω) = 0log K i 0log( Tω + 1) i db = jωt + 1 arg( G( jω)) = arctg( ωt) ω (6) El diagrama de Bode de u sistema de primer orde para el caso de K = y T=0. es como sigue: 0 log K i 0 logk i 0 log(tw) -0 db/dc w c =1/T Figura 4.- Diagrama de Bode de u sistema de Primer Orde Observado la gráfica, se observa que existe dos comportamietos lieales, uo para frecuecias bajas y otro para frecuecias altas. E ambos casos la curva tiede a ua asítota. Para verlo aalíticamete operamos e la expresió (6) aplicado límites e la expresió de la amplitud: 1 << G( jω) 0log K T ω (7.1) ω 1 G( jω) 0log K 0log( Tω) T >> (7.) Estas expresioes so dos asítotas. (7.1) es ua recta paralela al eje de abcisas y (7.) es otra recta de pediete -0 db/dc Págia 6

7 Estudio frecuecial de sistemas cotiuos de primer y segudo orde Diagrama de Bode de u sistema de segudo orde La forma caóica de u sistema de segudo orde es la siguiete: K G( s) = ω s + ξω s + ω (8) Como sistema de segudo orde tiee dos polos: ω 1, Kω1ω = ξω ± jω 1 ξ G( s) = (9) ( s + ω )( s + ω ) 1 Atediedo a la forma de estos polos distiguimos dos casos: A. Polos reales: Ocurre para ξ 1. a) Polos reales distitos: Cuato mayor sea ξ, más separados estará los polos etre sí. Para polos suficietemete separados, e el diagrama de Bode podemos etoces establecer tres asítotas, tal y como se muestra e la figura 5, para el caso de K=1, d=0 y w = rad/s -0dB/dc -40dB/dc w 1 w Figura 5.- Diagrama de Bode para u sistema de Segudo Orde co polos reales distitos Págia 7

8 Estudio frecuecial de sistemas cotiuos de primer y segudo orde E este caso, al idetificar los polos w 1 y w queda idetificada la Fució de Trasferecia del sistema. b) Polo doble: Cuado, e la práctica, los polos está suficietemete jutos, e ua primera aproximació se les puede cosiderar iguales. Gráficamete o se puede establecer más que dos asítotas, tal y como se muestra e la figura 6, ua paralela al eje de abcisas y otra de -40dB/dc Aalíticamete, dos polos reales iguales (polo doble) ocurre para el caso límite ξ = 1 E la figura 6 se escogió para la represetació w = rad/s w Figura 6.- Diagrama de Bode para u sistema de Segudo Orde co polos reales iguales B. Polos complejos cojugados: para 0 < ξ < 1 Este caso resulta de especial iterés, pues e el diagrama de Bode aparece u feómeo de resoacia, que se maifiesta como u pico G db e el diagrama de amplitud. Aalíticamete se puede ver que dicho pico ocurre cuado: w = w (10) K 1 G( jω) ω ω = G = 0log = db ξ ξ (11) De lo que se deduce que el coeficiete de amortiguamieto ξ se puede obteer gráficamete. Obsérvese la figura 7, para u sistema co ξ = 0.1 K = 1 w = rad/s Págia 8

9 Estudio frecuecial de sistemas cotiuos de primer y segudo orde 0log 1/ξ -40 db/dc w Figura 7.- Diagrama de Bode para u sistema de Segudo Orde co polos complejos cojugados. Págia 9