miércoles, 1 de mayo de 2013

TALLER DE MODELOS


CONEXIÓN EN SERIE


Los elementos de un circuito eléctrico están conectados en serie cuando van colocados uno a continuación del otro a lo largo de un solo conductor, de manera que un electrodo que circula por el circuito habrá de pasar por todos ellos, uno detrás de otro.
Si se diera el caso de que cualquiera de estos se desconectara, o se averiara, el paso de la corriente quedaría cortado.


CONEXIÓN EN PARALELO

Cuando los elementos de un circuito están conectados en diferentes cables que forman ramificaciones dentro de el circuito.
Si se da el caso de que un electrodo pasa a través de uno de estos elementos, no podrá pasar por ninguno de los otros elementos que estén conectados en el circuito. Si se desconecta o se estropea uno, la resta continuará funcionando

Ley de Voltaje de Kirchhoff

La ley de voltaje de Kirchhoff indica que la suma de voltajes alrededor de una trayectoria o circuito cerrado debe ser cero. Matemáticamente, esta dada por

Como referencia, esta ley es también llamada Segunda ley de Kirchhoffregla de bucle o malla de Kirchhoff.
Un Ejemplo

La suma de todos los voltajes al rededor del bucle es igual a cero. v_4 + v_1 + v_2 + v_3 = 0
Observamos cinco voltajes en la imagen de la derecha: v4 a través de una fuente de alimentación y los cuatro voltajes v1, v2, v3 y v5 a traves de las resistencias R1, R2, R3 y R5, respectivamente. El voltaje de alimentación y las resistencias R1, R2 y R3 componen una ruta de circuito cerrado, de este modo la suma de los voltajes v4, v1, v2 y v3 debe ser 0.

\sum_nv_n = v_4 + v_1 + v_2 + v_3 = 0

La resistencia R5 esta por fuera del bucle cerrado, y por eso no desempeña ningún papel en el calculo de la ley de voltaje de Kirchhoff. (observe que trayectorias cerradas pueden ser definidas e incluir a R.en este caso, el voltaje v5 a través R5 debe ser considerado en el calculo de la ley de Kirchhoff de voltaje.)
Ahora si tomamos el punto d en la imagen como nuestro punto de referencia y arbitrariamente seleccionamos su voltaje a cero, podemos observar como el voltaje cambia mientras que recorremos el circuito hacia la derecha. Yendo del punto d al punto a a través de la fuente de voltaje, experimentamos un aumento del voltaje de v4 voltios (como el símbolo para la fuente de voltaje en la imagen indica que a está en un voltaje positivo con respecto a el punto d). En un viaje desde el punto a al punto b, nosotros cruzamos un resistor. Vemos claramente del diagrama que, puesto que hay solamente una sola fuente de voltaje, la corriente debe fluir de ella desde el Terminal positivo a su Terminal negativo—siguiendo una trayectoria hacia la derecha. Así de la Ley de Ohm, observamos que el voltaje cae del punto a al punto b a través del resistor R1. Así mismo el voltaje cae a través de los resistores R2 y R3. Habiendo cruzado R2 y R3, llegamos detras del punto d, donde nuestro voltaje es cero (apenas como lo definimos). Experimentamos asi un aumento en voltaje y tres caidas de voltajes mientras que atravesamos el circuito. La implicación de la ley del voltaje de Kirchhoff es que, en un circuito simple con solamente una fuente de voltaje y cualquier número de resistores, la caída de voltaje a través de los resistores es igual al voltaje aplicado por la fuente de voltaje:
v_4 = v_1 + v_2 + v_3
La ley del voltaje de Kirchhoff se puede ampliar fácilmente a circuitos que contienen Condensadores.
Ley de Corriente de Kirchhoff
La ley de corriente eléctrica de Gustav Kirchhoff establece que la suma de las corrientes que entran a un punto en particular deben ser 0. Matematicamente, esta dada por:

Advierta que la corriente positiva sale de un punto, y la que entra a un punto es considerada negativa.
Como Referencia, esta ley es llamada algunas veces Primera ley de KirchhoffRegla de nodos de KirchhoffRegla de Union de Kirchhoff.

Un Ejemplo


La corriente total que entra a cualquier punto es cero   . i_1 + i_2 + i_3 + i_4 = 0
Observamos cuatro corrientes "entrando" a la unión (en realidad dos entran y dos salen) representada como un circulo negro en la imagen de la derecha. Por supuesto, cuatro corrientes están existiendo actualmente en la juntura, pero para propósito del análisis del circuito generalmente se considera que actualmente las corrientes positivas fluyen hacia afuera a través de la unión y las corrientes negativas fluyen hacia la unión (matemáticamente la misma cosa). hacer esto nos permite escribir la ecuación de la ley de Kirchhoff como ejemplo:

En este punto puede no parecer claro por que insistimos en que las corrientes negativas fluyen hacia la unión mientras que las corrientes positivas fluyen hacia afuera. Pero note que la imagen de la derecha nos provee mas información de la que podríamos esperar cuando analizamos un circuito, las flechas nos ayudan a identificar la dirección en que la corriente fluye. Si no contamos con la asesoría no podríamos, seguramente, emitir un juicio de hacia donde fluye la corriente (i.e., colocando un símbolo negativo) hasta que pudiéramos calcularla, podríamos confundirnos nosotros mismos y cometer errores.
Sin embargo en este caso tenemos información extra de la imagen de la derecha que indican la direccion de la corriente, entonces debemos tomar ventaja de esto. sabemos que las corrientes i2 e i3 fluyen hacia el nodo, y que las corrientes i1 e i4 fluyen hacia afuera. y podemos escribir:








lunes, 1 de abril de 2013

1. modelos matemáticos y experimentales


 1. modelos matematicas experimentales
1.1 definicion
1.2 tipos de procesos
1.3 tipos de modelos
1.4 transformada de laplace
1.5 funcion de transparencia
1.6 funcion de transferencia y ecuaciones de estado
1.7 linealizacion
1.8 retardos de trasporte
1.9 escalado
1.10 diagrama de bloques
1.10.1 algebra de bloques
1.11 efecto temporal de polos y ceros
1.12 resumen



1.1 definicion
un modelo es una descripcion y reproduccion de un proceso determinado para analizar su comportamiento.
1.2 tipos de procesos
hay muchas formas de clasificar sus procesos y modelos de acuerdo con su funcion: valvulas, tanques, hornos,
por industria: metalurgia, automotriz alimento
por sus caracteristicas fisicas: termicos, quimicos 
los ingenieros de control los clasifican de acuerdo asus caracteristicas dinamicas:
linealidad
estabilidad
resonancia
retardos
adelanto o retraso de fase
1.3 tipos de modelos
atributo              atributo antagonico    determina si
siso                    mimo                           las ecuaciones del modelo tienen una entrada y 
                                                                                                                           salida
lineal                  no lineal                     las ecuaciones del modelo son variables en las 
                                                                                                                          ecuaciones del sistema
estacionario      no estacionario            los parametros del modelo son constante
continuo             discreto                      las ecuaciones determinan su comportamiento a cada      
                                                                                                                          de tiempo, o solo en muestra discreta
entrada-salida     espacio de estados    las ecuaciones dependen solo de las entradas y 
                                                                                                                           salidas, o tambien de variables de estado
1.4 transformaciones
lo que se busca es encontrar una descripcion del sistema de modo que exista una relacio algebraica entre entrada y salida
y= GxU
en el dominio tiempo, lo mas cercano a esto es el producto de convulocion 
y(t)=g(t)*u(t)=  /  g(T)u(t-T)dT

donde g(t) es la respuesta del sistema cuando es exitado por una delta de didal es un poco compleja de resolver.
se busca transformaciones, 
en el dominio frecuencialy mediante la transformada de fourier se logra que
y(w)=G(w)xU(w)
en donde y(W) y U(w) son las transformadas de fourier de la salida y entrada de G(w) es la respuesta de frecuencia de la planta.


pero esta transformada no es comoda para trabajar con señales no periodicas.



1.4.1 transformada de laplace
x(s) =L {X(t) =∫x(t)e  dt
s=6+jw
la propiedad fundamental es:
L(g(t)*u(t))=(Gs)xU(s)=y(s)


1.5 funcion de transferencia

relacion entre entrada y salida en transformada de laplace con condiciones iniciales nulas.
generalmente incluye la dinamica de los actuadores y sensores sistemas lineales, estacionarios, en tiempo continuo.



ay +ayⁿ⁻¹+···+an-1y+any=b0u


con m^n
se puede factorizar



1.6 funcion transferencia de estado

un sistema podria describirse en forma de ecuaciones de estado
x(t)Ax(t)+Bu(t)
y(t)=Cx(t)+Du (t)
... si aplicamos transformada de la laplace obtenemos las ecuaciones algebraicas
sX (s)-x(0)=AX(s)+BU(s)
      y(s)=CX(s)+DU(S)
X(S)=(sI-A)X(O)-(SI-A)BU(S)
Y(s)=[c(sI-A)B+D]U(s)+C(sI-A)X(0)
la funcion de transparencia sera
G(s)=C(sI-A)B+D
(no completalas condiciones iniciales)
terminologia
zi ceros de G (s)
1.7 la linealizacion
todo sistema es no lineal
cosideracion:
desviacion pequeña del punto de trabajo
desarrollo en serie de taylor

1.8 retardos de trasporte
  Ls{б(t)}=∫б(t)edt=1
impulso desplazo de un tiempo T 
LS{б(t-T)}=e
no es racional


1.9 escalado

un factor importante antes de trabajar con un modelo es hacer una buena seleccion de los factores de escala (unidades) para las variables y el tiempo.
un buen escalamiento hara los calculosmas simples y mas preciso y disminuira enormemente los problemasde simulacion en computador


1.10 diagramas de bloques

capturan la esecia del sistema en su formalismo graficoobstracto de simple manipulacion. representan el flujo y prosesamientos de las señale dentro del  sistema. 
los diagramas de bloques permitenver la similitud esencialentre distintos tipos de sistemas (independizan el dominio fisico). 
bomba
sistema fisico:
bomba
caudal de salida
señal de velocidad
diagrama de bloques:
señal de velocidad- funcion de transferencia G- caudal de salida

1.11 efecto temporal de polos y ceros
"hoy es facil y muy didactico calcular polos, ceros,respuestas al escalon y division en fracciones simples" 
g=tf(1,poly([-1]));[y,t]=step(g);plot(t,y);grid;([0 6 0 1.5])
pzmap(g);sgrid;axis([-2 1 -1])


1.12 resumen

para poder diseñar en forma sistematicaun controlador para un sistema es nesesario disponer de una descripcion normal. aunque posiblemente simpledel mismo. esta descripcion es el modelo matematico del sistema. los modelos matematicos pueden obtenerse en forma experimental o analitica, y en general, en la practica, mediante una combinacion de ambos metodos.
en general, los modelos matematicos involucran un conjuto de ecuaciones diferentes no lineales. en muchos casos, estas ecuaciones pueden linearse al rededor de un punto de, con lo que se obtiene un modeloincremental lineal mucho mas tratable.
la eleccio de unidadesadecuadas (escalado) de las variables y el tiempo permite mejorar los modelosdesde el punto de vista computacional.
las funciones transferencias describenlas propiedades de entrada-salida de los sistemas en forma algebraicaen el dominio laplace.





EJERCICIOS

CON EL AUXILIO DE LA  DE UNA TRANSFORMADA DE LA PLACE Y LAS PEOPIEDADES DE LA TRANFORMADA ENCUENTRESE LA TRANSFORMADA F(s)   DE LA SIGUIENTE FUNCION

F(t)= U(t)-e-t+ te-t



SOLUCION








ejercicio de sistemas mecánicos traslacionales