Sistemas de control - Simulación con Matlab

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    02-Dec-2015

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Matlab

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  • I S BN 978-607-442-842-1

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  • Introduccin a los sistemas de control:

    Conceptos, aplicaciones y simulacin con MATLAB

    Ing. Ricardo Hernndez GavioInstituto Tecnolgico de Aguascalientes

    REVISIN TCNICA

    Ricardo Hurtado RangelRicardo Yez Mendoza

    Academia de Control y AutomatizacinEscuela Superior de Ingeniera Mecnica y ElctricaInstituto Politcnico Nacional, Campus Zacatenco

    Mxico Argentina Brasil Colombia Costa Rica Chile EcuadorEspaa Guatemala Panam Per Puerto Rico Uruguay Venezuela

    Prentice Hall

    C00 Hernandez_Prelim.indd iC00 Hernandez_Prelim.indd i 2/11/10 10:25:15 PM2/11/10 10:25:15 PM

  • Edicin en espaolEditor: Luis Miguel Cruz Castillo e-mail: luis.cruz@pearsoned.com Editor de desarrollo: Felipe Hernndez CarrascoSupervisor de produccin: Rodrigo Romero Villalobos

    PRIMERA EDICIN, 2010

    D.R. 2010 por Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V. Atlacomulco 500-5o. piso

    Col. Industrial Atoto53519, Naucalpan de Jurez, Estado de Mxico

    Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. nm. 1031.

    Prentice Hall es una marca registrada de Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V.

    Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicacin pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperacin de informacin, en ninguna forma ni por ningn medio, sea electrnico, mecnico, fotoqumico, magntico o electroptico, por fotocopia, grabacin o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor.

    El prstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesin de uso de este ejemplar requerir tambin la autorizacin del editor o de sus representantes.

    ISBN VERSIN IMPRESA: 978-607-442-842-1ISBN E-BOOK: 978-607-442-843-8ISBN E-CHAPTER: 978-607-442-844-5

    PRIMERA IMPRESINImpreso en Mxico. Printed in Mexico.1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 13 12 11 10

    www.pearsoneducacion.net ISBN: 978-607-442-842-1

    HERNNDEZ GAVIO, RICARDO

    Introduccin a los sistemas de control: Conceptos, aplicaciones y simulacin con MATLABPrimera edicin

    PEARSON EDUCACIN, Mxico, 2010

    ISBN: 978-607-442-842-1

    rea: Ingeniera

    Formato: 20 25.5 cm Pginas: 528

    Prentice Halles una marca de

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  • IN MEMORIAM RICARDO HERNNDEZ GAVIO

    C00 Hernandez_Prelim.indd iiiC00 Hernandez_Prelim.indd iii 2/11/10 10:25:16 PM2/11/10 10:25:16 PM

  • Con profundo agradecimiento para:

    M. en C. PEDRO PABLO MARTNEZ PALACIOS

    por su invaluable apoyo al realizar las gestiones para la edicin de esta obra.

    DR. JORGE OROZCO MORA

    por su exhaustivo trabajo de revisin de contenidos de la presente obra.

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  • AGRADECIMIENTOS

    A mi esposa Roco y a mis hijas Paulina y Tania. Quisiera hacer un reconocimiento a todos aquellos estudiantes que durante muchas generaciones han hecho posible que tanto ellos como yo nos hayamos ido adentrando en el fascinante mundo del control automtico. Tambin quiero manifestar mi profundo agradecimiento a todas las personas que de alguna manera me alentaron a realizar y concluir este trabajo, ya sea tanto por sus valiosos consejos y aportaciones, como por sus conocimientos profundos en diferentes campos, no slo de la ciencia, sino de la vida en general. Les agradezco tambin su pro-funda sencillez como seres humanos. Entre todas aquellas personas que me han ayudado, quiero agradecer a Rubn Medina Barrera, Gastn Lefranc Hernndez, Estela Guerreiro S. Bicho, Chiharu Ishii, Laura Garca Arroyo, Germn Ortega Chvez, Carlos Couto, Abelardo del Pozo Quintero, Luis Miguel Fernndez, Yolanda Gonzlez Adame, Carlos Alberto Soto Becerra, Cutberto No Njera Cisneros, Esther lvarez, Mara Teresa Sala-zar Razo, Mara Teresa Orvaanos Guerrero, Gerardo Romo Luvano, Francisco Miguel Garca Guevara, Jess Castauela Fuentes, Marco Antonio Rodrguez Guzmn, Jos Luis Enrquez Estrada, Juan Manuel Jaime Daz, J. Jess Trujillo Ibarra, Eduardo Garca Le-dezma, Leonel Hugo Favila Herrera, Javier Hugo Patio Patio, Mario vila Parra, Jorge Medina Valtierra, Juna Ma. Lomel Soto, Alfonso Recio Lozano (in memoriam), Gilber-to Rodrguez Domnguez, Francisco Javier Villalobos Pia, Gustavo Sosa Serna, Hctor Ulises Rodrguez Marmolejo, Roberto Ramrez Jimnez, Octavio Valds Valadez, Jess Mario Flores Verduzco, J. Fernando Medina Prez, Juan Manuel Snchez Isaas, Javier Gerson Zapian Salinas, J. Jess Bernal de la Rosa y Armando Capetillo Zamora.

    Muchas gracias a todos ustedes.

    Sinceramente,

    Ricardo Hernndez Gavio

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  • PRLOGO

    Las asignaturas relacionadas con el campo de la automatizacin constituyen revisiones, reformas peridicas y actualizaciones de los programas de estudio del Instituto Tecnol-gico de Aguascalientes y del sistema de Institutos Tecnolgicos a nivel nacional. Con respecto a las materias que componen la carrera de Ingeniera Electrnica del Instituto Tecnolgico de Aguascalientes, el plan de estudios incluye cinco materias rela-cionadas con los sistemas de control. A nivel licenciatura, estas materias comprenden Control I (Fundamentos, anlisis y diseo en rgimen transitorio), Control II (anlisis y diseo de respuesta en frecuencia y de espacio de estado), Diseo de sistemas de control (anlisis y diseo de sistemas continuos y discretos) y PLCs (controles lgicos programa-bles); a nivel de posgrado, se imparte la materia de Teora de control (anlisis de sistemas lineales escalares y multivariables). La bibliografa relacionada con el tema es muy amplia y, en la gran mayora de casos, est compuesta por libros que tratan el tema casi siempre desde un punto de vista emi-nentemente terico, dejando a un lado el aspecto prctico, aun cuando ste es de gran importancia. Por lo anterior, el objetivo del autor fue elaborar un libro de texto cuyo enfoque fuera mucho ms prctico, adems de cubrir a fondo el aspecto terico. Para tal efecto se incluyeron diversos mdulos para implementar prototipos con los cuales fuera posible construir y ajustar los diferentes tipos de controladores: P (Proporcional), PI (Proporcional-Integral), PD (Proporcional-Derivativo) y PID (Proporcional-Integral-Derivativo), as como controles s-no. Adems, el enfoque del texto pretende analizar los sistemas de control utilizando algn software relacionado, por lo que el trabajo elaborado incluye el manejo de MATLAB en sus distintas opciones, MATLAB como herramienta de programacin (workspace), as como Simulink. Un objetivo adicional del libro radica en que est dirigido a diferentes tipos de licen-ciaturas que incluyen la materia de Teora de control en su plan de estudios; por ejemplo, Ingeniera Electrnica, Ingeniera Elctrica, Ingeniera en Mecatrnica e Ingeniera en Sistemas Computacionales. Asimismo, el libro se dirige a licenciaturas que ofrecen sali-das laterales con especializacin en automatizacin y control. Adems, puede utilizarse como texto complementario en Ingeniera Mecnica, Ingeniera Qumica, Ingeniera en Materiales y algunas otras. Este libro busca ser una introduccin a la apasionante rea del control automtico, tratando de explicar los diversos conceptos de una manera simple y directa. Aunque las ecuaciones y los conceptos son respaldados por su fundamento matemtico, tambin se da gran importancia a la interpretacin fsica del concepto analtico implicado. Como comentario fi nal con respecto a la forma en que el presente texto fue organi-zado y elaborado, cabe aclarar que todos los problemas planteados incluyen su solucin, la cual, en la gran mayora de los casos, se presenta y desarrolla paso a paso, de tal manera que sea una gua til para que el alumno adquiera la confi anza y destreza sufi cientes para profundizar en los diversos temas, y a la vez adquiera la motivacin necesaria para adentrarse en el rea del control automtico.

    Ricardo Hernndez Gavio

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  • INTRODUCCIN

    Este libro pretende, ante todo, ser un curso introductorio y multidisciplinario enfocado hacia el control de procesos y la automatizacin de sistemas. La obra fue escrita y diseada especialmente para cubrir la materia de Control I, basndose estrictamente en el programa de estudios que rige a nivel nacional al sistema de Institutos Tecnolgicos, el cual es peridicamente revisado y actualizado, as como a las restantes materias que conforman los diversos planes y programas de estudio. De esta forma, dicha disciplina, por su importancia, permanece vigente y acorde con los grandes avances tecnolgicos propios de la poca. Como se mencion, el libro es un curso introductorio al apasionante rea del control automtico. La primera parte del texto se enfoca directamente en introducir los concep-tos esenciales propios del rea sin dejar a un lado el aspecto prctico, ya que, mediante dos prototipos que se presentan desde el captulo inicial, el estudiante encontrar gran satisfaccin en construir sus primeros sistemas autorregulables; con esta motivacin, el alumno proseguir hacia temas ms complejos propios de la materia. Los diversos cap-tulos tratados estn avalados por un slido respaldo matemtico, el cual se expone desde una perspectiva diferente a la convencional, esto es, la herramienta matemtica se explica desde un punto de vista fsico. Este enfoque implica un paso trascendental en la interpre-tacin de las ecuaciones y, sobre todo, de los resultados obtenidos. De esta forma, el es-tudiante podr