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Control de procesos industriales I
Ing. Ángela Bravo Sánchez M.Sc
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
FUNDAMENTACIÓN
MATEMÁTICA PARA EL
ANÁLISIS DE SISTEMAS DE
CONTROL
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
La Transformada de Laplace
La Transformada de Laplace es un método
operacional que puede utilizarse para resolver
ecuaciones diferenciales lineales.
Transforma ecuaciones diferenciales en
ecuaciones algebraicas de una variable
compleja s
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
¿Por qué se utiliza Transformada de Laplace en
el control procesos?
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
¿Por qué se utiliza Transformada de
Laplace en el control procesos?
En el estudio de los procesos es necesario
considerar modelos dinámicos, es decir,
modelos de comportamiento variable respecto al
tiempo.
Para esto, es necesario el uso de ecuaciones
diferenciales respecto al tiempo para
representar matemáticamente el
comportamiento de un proceso [1].
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
¿Por qué se utiliza Transformada de
Laplace en el control procesos?
La transformada de Laplace es una herramienta
matemática muy útil para el análisis de sistemas
dinámicos lineales.
Permite el desarrollo del útil concepto de
funciones de transferencia [3]
Permite el uso de técnicas gráficas para
predecir el desempeño del sistema, sin tener
que resolver las ecuaciones diferenciales del
sistema [2].
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Variables y funciones complejas
Para trabajar con las transformadas de Laplace se
requiere cierta familiaridad con los números
complejos:
Numero complejo: Un número complejo tiene
una parte real y una parte imaginaria, ambas
son constantes.
Variable compleja: Si la parte real y/o la parte
imaginaria son variables, el número complejo se
denomina variable compleja
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Variables y funciones complejas
En la transformada de Laplace, usamos la
notación s como una variable compleja
𝑠 = 𝜎 + 𝑗𝜔
donde 𝜎 es la parte real y ω es la parte imaginaria
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Variables y funciones complejas
Función compleja: tiene una parte real y una
parte imaginaria
𝐹(𝑠) = 𝐹𝑥 + 𝑗𝐹𝑦
donde𝐹𝑥 y 𝐹𝑦 son cantidades reales.
Magnitud: 𝐹(𝑠) = 𝐹𝑥2 + 𝑗𝐹𝑦
2
Ángulo: θ = 𝑡𝑎𝑛−1(𝐹𝑦/𝐹𝑥)
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Variables y funciones complejas
Ejemplo de función compleja
Considere:
remplazando 𝑠 = 𝜎 + 𝑗𝜔 se obtiene:
donde
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Transformada de Laplace
La transformada de Laplace de una función del
tiempo f(t), se define mediante la siguiente
fórmula:
𝐹 𝑠 = ℒ 𝑓(𝑡) = 𝑓 𝑡 𝑒−𝑠𝑡𝑑𝑡∞
0
Donde
𝐹 𝑠 es una función del tiempo
𝑠 una variable compleja
ℒ 𝑓 o 𝐹 𝑠 es la transformada de Laplace de 𝑓 𝑡
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Transformada de Laplace:
Función exponencial.
Considere la función exponencial
en donde A y a son constantes.
Calcule la transformada de Laplace.
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Transformada de Laplace:
Función exponencial.
SOLUCIÓN
Transformada de Laplace: ℒ 𝑓(𝑡) = 𝑓 𝑡 𝑒−𝑠𝑡𝑑𝑡∞
0
𝑓 𝑡 = 𝐴 𝑒−𝑎𝑡 0 ≤ 𝑡 < ∞
Remplazando:
ℒ 𝐴 𝑒−𝑎𝑡 = 𝐴 𝑒−𝑎𝑡𝑒−𝑠𝑡𝑑𝑡∞
0 aplicando 𝑒𝑎+𝑏 = 𝑒𝑎𝑒𝑏
ℒ 𝐴 𝑒−𝑎𝑡 = 𝐴 𝑒−(𝑠+𝑎)𝑡𝑑𝑡∞
0
= 𝐴 𝑒−(𝑠+𝑎)𝑡
−(𝑎 + 𝑠) 0
∞
= 𝐴𝑒−(𝑠+𝑎)∞
−(𝑎+𝑠)− 𝐴
𝑒− 𝑠+𝑎 0
−(𝑎+𝑠) = 0 − 𝐴
1
−(𝑎+𝑠)=
𝑨
𝒂+𝒔
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Transformada de Laplace:
Función escalón.
Considere la función escalón
en donde A es una constante.
Calcule la transformada de Laplace.
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Transformada de Laplace:
Función escalón
SOLUCIÓN
Transformada de Laplace: ℒ 𝑓(𝑡) = 𝑓 𝑡 𝑒−𝑠𝑡𝑑𝑡∞
0
𝑓 𝑡 = 𝐴 0 ≤ 𝑡 < ∞
Remplazando:
ℒ 𝐴 = 𝐴 𝑒−𝑠𝑡𝑑𝑡∞
0
= 𝐴 𝑒−𝑠𝑡
−𝑠 0
∞
= 𝐴𝑒−𝑠.∞
−𝑠− 𝐴
𝑒−𝑠.0
−𝑠)= 0 − 𝐴
1
−𝑠=
𝑨
𝒔
* La función escalón es un caso especial de la función
exponencial a=0
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Transformada de Laplace:
Función rampa
Considere la función rampa
en donde A es una constante.
Calcule la transformada de Laplace.
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Transformada de Laplace:
Función rampa
SOLUCIÓN
Transformada de Laplace: ℒ 𝑓(𝑡) = 𝑓 𝑡 𝑒−𝑠𝑡𝑑𝑡∞
0
𝑓 𝑡 = 𝐴𝑡 0 ≤ 𝑡 < ∞
Remplazando:
ℒ 𝐴𝑡 = 𝐴𝑡 𝑒−𝑠𝑡𝑑𝑡∞
0
= 𝐴 𝑡 𝑒−𝑠𝑡𝑑𝑡∞
0
Resolviendo la integral por partes
𝑢 𝑑𝑣 = 𝑢𝑣 − 𝑣 𝑑𝑢 sea: 𝑢 = 𝑡 𝑑𝑢 = 𝑑𝑡
𝑑𝑣 = 𝑒−𝑠𝑡𝑑𝑡 𝑣 =𝑒−𝑠𝑡
−𝑠
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Transformada de Laplace:
Función rampa
Integral por partes
𝑢 𝑑𝑣 = 𝑢𝑣 − 𝑣 𝑑𝑢 sea: 𝑢 = 𝑡 𝑑𝑢 = 𝑑𝑡
𝑑𝑣 = 𝑒−𝑠𝑡𝑑𝑡 𝑣 =𝑒−𝑠𝑡
−𝑠
Remplazando
𝑡 𝑒−𝑠𝑡𝑑𝑡 = 𝑡𝑒−𝑠𝑡
−𝑠−
𝑒−𝑠𝑡
−𝑠𝑑𝑡 = 𝑡
𝑒−𝑠𝑡
−𝑠−
𝑒−𝑠𝑡
−𝑠2 ∞
0
= ∞𝑒−𝑠∞
−𝑠−
𝑒−𝑠∞
−𝑠2 −0𝑒−𝑠∞
−𝑠+
𝑒−𝑠0
−𝑠2 =1
𝑠2
ℒ 𝐴𝑡 =𝐴
𝑠2
0 0 0
1
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Transformada de Laplace:
Función rampa
Considere la siguiente función
en donde A y 𝜔 es una constante.
Calcule la transformada de Laplace.
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Transformada de Laplace:
Función escalón
SOLUCIÓN
Transformada de Laplace: ℒ 𝑓(𝑡) = 𝑓 𝑡 𝑒−𝑠𝑡𝑑𝑡∞
0
𝑓 𝑡 = 𝐴 𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡) 0 ≤ 𝑡 < ∞
𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡) se puede escribir de la siguiente forma:
sen ω𝑡 =1
2𝑗(𝑒𝑗𝑤𝑡 − 𝑒−𝑗𝑤𝑡)
Por lo tanto
ℒ 𝐴 = 𝐴 1
2𝑗(𝑒𝑗𝑤𝑡 − 𝑒−𝑗𝑤𝑡) 𝑒−𝑠𝑡𝑑𝑡
∞
0
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Transformada de Laplace:
Función escalón Por lo tanto
ℒ 𝐴 = 𝐴 1
2𝑗(𝑒𝑗𝑤𝑡 − 𝑒−𝑗𝑤𝑡) 𝑒−𝑠𝑡𝑑𝑡
∞
0
ℒ 𝐴 = 𝐴
2𝑗 (𝑒𝑗𝑤𝑡𝑒−𝑠𝑡 − 𝑒−𝑗𝑤𝑡𝑒−𝑠𝑡) 𝑑𝑡
∞
0
ℒ 𝐴 = 𝐴
2𝑗 (𝑒(𝑗𝑤−𝑠)𝑡 − 𝑒−(𝑗𝑤+𝑠)𝑡) 𝑑𝑡
∞
0
ℒ 𝐴 =𝐴
2𝑗
1
𝑠 − 𝑗𝑤−
𝐴
2𝑗
1
𝑠 + 𝑗𝑤=
𝐴
2𝑗𝑠 + 2𝑤−
𝐴
2𝑗𝑠 − 2𝑤
ℒ 𝐴 =2𝑗𝑠𝐴 − 2𝑤𝐴 − 2𝑗𝑠𝐴 − 2𝑤𝐴
(2𝑗𝑠 + 2𝑤)(2𝑗𝑠 − 2𝑤)
ℒ 𝐴 =−4𝑤𝐴
−4𝑠2 − 4𝑗𝑠𝑤 + 4𝑗𝑠𝑤 − 4𝑤2=
𝐴𝑤
𝑠2 + 𝑤2
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Transformada de Laplace de funciones
más usuales
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Propiedades de la Transformada de
Laplace
Linealidad: y
Diferenciación
Integración
Desplazamiento en el tiempo
Teorema del valor inicial
Teorema del valor final
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
TRANSFORMADA DE LAPLACE EN
MATLAB
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Trasformada Inversa de Laplace
La operación de obtener la función f(t) a partir
de la transformada de Laplace F(s) se le
denomina transformada inversa de Laplace:
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Propiedades de la Transformada
inversa de Laplace
Linealidad:
Traslación
Cambio de escala
Transformada inversa de Laplace de una derivada
Transformada inversa de Laplace de una integral
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Método de las fracciones simples
Método para calcular transformadas inversas de Laplace
de funciones F(s) racionales de la forma [4]:
𝐹 𝑠 =𝑁(𝑠)
𝐷(𝑠)
Donde 𝑁 𝑠 𝑦 𝐷 𝑠 son polinomios en la variable s
Pasos:
1. Descomponer la fracción F(s) en fracciones simples
a) Encontrar las raíces de 𝑄 𝑠
• Raíces reales y simples
Descomponiendo en fracciones parciales
donde
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Método de las fracciones simples
• Raíces múltiples y reales
Descomponiendo en fracciones parciales
Donde
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Método de las fracciones simples
• Raíces complejas conjugadas: misma expansión que en
raíces reales y simple
Complejos conjugados de la forma
2. Calcular la trasformada inversa de Laplace
haciendo uso de la propiedad de linealidad
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Método de las fracciones simples
Ejercicio 1
Sea
Hallar f(t)
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Método de las fracciones simples
Solución
Si expandimos en fracciones parciales obtenemos
donde
Remplazando
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Método de las fracciones simples
Se obtiene:
𝐹 𝑠 =1
𝑠+
−12
(𝑠 + 1)+
−12
(𝑠 + 3)
Aplicando la transformada inversa
𝑓 𝑡 = ℒ−11
𝑠+
−12
(𝑠 + 1)+
−12
(𝑠 + 3)
Aplicando la propiedad de linealidad
𝑓 𝑡 = ℒ−1 1
𝑠+ ℒ−1
−1
2
(𝑠+1)+ ℒ−1
−1
2
(𝑠+3)
𝑓 𝑡 = 1 −1
2𝑒−𝑡 −
1
2𝑒−3𝑡
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Método de las fracciones simples
Ejercicio 2
Sea
Hallar f(t)
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Método de las fracciones simples
Solución
Si expandimos en fracciones parciales obtenemos
donde
Remplazando
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Método de las fracciones simples
Se obtiene:
𝐹 𝑠 =1
(𝑠 + 1)+
1
(𝑠 + 1)2+
−2
(𝑠 + 1)3
Aplicando la transformada inversa
𝑓 𝑡 = ℒ−11
(𝑠 + 1)+
1
(𝑠 + 1)2+
−2
(𝑠 + 1)3
Aplicando la propiedad de linealidad
𝑓 𝑡 = ℒ−1 1
(𝑠+1)+ ℒ−1 1
(𝑠+1)2+ ℒ−1 −2
(𝑠+1)3
𝑓 𝑡 = 𝑒−𝑡 + 𝑡 𝑒−𝑡 − 𝑡2 𝑒−𝑡
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Método de las fracciones simples con
Matlab
Sea
El comando
[r,p,k] = residue(b,a)
Encuentra los residuos, los polos y los términos
directamente de una expansión en fracciones
parciales del cociente de dos polinomios B(s) y A(s)
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
Método de las fracciones simples con
Matlab
Ejemplo
código b = [ 5 3 -2 7]
a = [-4 0 8 3]
[r, p, k] = residue(b,a)
r =
-1.4167
-0.6653
1.3320
p =
1.5737
-1.1644
-0.4093
k =
-1.2500
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
TRANSFORMADA INVERSA DE
LAPLACE EN MATLAB
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
SOLUCIÓN DE ECUACIONES
DIFERENCIALES CON LAPLACE
Considérese la siguiente ecuación diferencial de
segundo orden.
𝑎2
𝑑2𝑦(𝑡)
𝑑𝑡2+ 𝑎1
𝑑𝑦(𝑡)
𝑑𝑡+ 𝑎0𝑦 𝑡 = 𝑏 𝑥(𝑡)
El problema de resolver esta ecuación se puede
plantear como sigue: dados los coeficientes
𝑎0, 𝑎1, 𝑎2 𝑦 𝑏, las condiciones iniciales apropiadas
y la función x(t), encuéntrese la función y(t) que
satisface la ecuación
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
SOLUCIÓN DE ECUACIONES
DIFERENCIALES CON LAPLACE
𝑎2
𝑑2𝑦(𝑡)
𝑑𝑡2+ 𝑎1
𝑑𝑦(𝑡)
𝑑𝑡+ 𝑎0𝑦 𝑡 = 𝑏 𝑥(𝑡)
La función x(t) se conoce generalmente como
función de forzamiento o variable de entrada.
y(t) como la “función de salida” o variable
dependiente
la variable t, tiempo, es la variable
independiente.
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
SOLUCIÓN DE ECUACIONES
DIFERENCIALES CON LAPLACE
Procedimiento de solución por la transformada de
Laplace:
Paso 1. Transformación de la ecuación
diferencial en una ecuación algebraica con la
variable s de la transformada de Laplace:
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
SOLUCIÓN DE ECUACIONES
DIFERENCIALES CON LAPLACE
Usando el teorema de diferenciación
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
SOLUCIÓN DE ECUACIONES
DIFERENCIALES CON LAPLACE
Remplazando se obtiene la siguiente Ecuación
algebraica
Paso 2. Se despeja Y(s) de la ecuación algebraica
encontrada
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
SOLUCIÓN DE ECUACIONES
DIFERENCIALES CON LAPLACE
Asumiendo que
=0 y
La ecuación anterior se reduce a:
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
SOLUCIÓN DE ECUACIONES
DIFERENCIALES CON LAPLACE
Paso 3. Se aplica a Y(s) la transformada inversa
de Laplace para encontrar y(t)
Antes de invertir es necesario seleccionar una
entrada específica. Por ejemplo sea
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
SOLUCIÓN DE ECUACIONES
DIFERENCIALES CON LAPLACE
EJERCICIO
Encuentre la solución x(t) de la siguiente ecuación
diferencial
a y b son constantes
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
SOLUCIÓN DE ECUACIONES
DIFERENCIALES CON LAPLACE
Solución
Definiendo la transformada de Laplace para
𝑥, 𝑥 𝑦 𝑥
Remplazando
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
SOLUCIÓN DE ECUACIONES
DIFERENCIALES CON LAPLACE
Remplazando las condiciones iniciales
Organizando los términos
Despejando X(s)
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012
SOLUCIÓN DE ECUACIONES
DIFERENCIALES CON LAPLACE
Aplicamos transformada de Laplace
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