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Calculadora de sistemas de control

Dibuja un diagrama de bloques con funciones de transferencia y obtén la función de lazo cerrado con la reducción paso a paso. Revisa la estabilidad con el criterio de Routh–Hurwitz y el rango estable de K, el error en estado estable, la respuesta al escalón, el lugar de las raíces con sus reglas, los diagramas de Bode y Nyquist con márgenes de ganancia y fase, y diseña controladores.

Qué puedes hacer

Preguntas frecuentes

¿Cómo sé si un sistema de control es estable?

Si todos los polos de lazo cerrado tienen parte real negativa. El criterio de Routh lo comprueba sin calcular las raíces.

¿Qué es el lugar de las raíces?

Las trayectorias de los polos de lazo cerrado cuando una ganancia K varía de 0 a infinito.

¿Cómo se sintoniza un PID?

Una forma clásica es Ziegler–Nichols: se busca la ganancia última Ku y el periodo Pu, y de ahí Kp = 0.6Ku, Ti = Pu/2 y Td = Pu/8.

Guía: análisis de sistemas de control paso a paso

Un sistema de control realimentado compara la salida con la referencia y corrige el error. Analizarlo es responder tres preguntas: ¿es estable?, ¿cómo responde en el tiempo (sobreimpulso, tiempo de establecimiento)? y ¿con qué error queda en estado estable? Esta guía explica las herramientas para responderlas y resuelve un ejemplo completo.

Función de transferencia en lazo cerrado

Con una planta G(s) y realimentación unitaria negativa,

T(s) = C(s)/R(s) = G(s) / (1 + G(s))

Los polos de T(s), las raíces de la ecuación característica 1 + G(s) = 0, deciden todo el comportamiento. Con diagramas de bloques más complejos se reducen paso a paso: bloques en serie se multiplican, en paralelo se suman y un lazo de realimentación se cierra con la fórmula anterior.

Estabilidad

El sistema es estable si todos los polos de lazo cerrado tienen parte real negativa. El criterio de Routh–Hurwitz lo decide sin calcular las raíces: se arma la tabla de Routh con los coeficientes de la ecuación característica, y el número de cambios de signo en la primera columna es el número de polos en el semiplano derecho.

Respuesta de un sistema de segundo orden

Muchos sistemas se comportan como el segundo orden estándar ωn²/(s² + 2ζωns + ωn²), con frecuencia natural ωn y amortiguamiento ζ. Para 0 < ζ < 1, ante un escalón:

Error en estado estable

Depende del tipo del sistema (el número de integradores, polos en s = 0, de G) y de la entrada. Con las constantes Kp = lim G, Kv = lim s·G y Ka = lim s²·G cuando s → 0: ante un escalón ess = 1/(1 + Kp), ante una rampa ess = 1/Kv y ante una parábola ess = 1/Ka.

Ejemplo resuelto

G(s) = 10 / (s(s + 2)) con realimentación unitaria.

  1. Lazo cerrado: T(s) = 10/(s² + 2s + 10). Comparando con la forma estándar: ωn = √10 ≈ 3.162 rad/s y 2ζωn = 2, así que ζ ≈ 0.316. Los polos son −1 ± 3j.
  2. Estabilidad: la primera columna de Routh es 1, 2, 10, sin cambios de signo: estable.
  3. Escalón: Mp = exp(−0.316π/0.949) ≈ 35.1 %; tp = π/3 ≈ 1.05 s; la estimación ts ≈ 4/1 = 4 s.
  4. Error: el sistema es tipo 1 (un integrador). Ante un escalón, ess = 0. Ante una rampa, Kv = lim s·10/(s(s + 2)) = 5, así que ess = 1/5 = 0.2.

La herramienta da Mp = 35.09 %, tp = 1.045 s y los mismos errores. Para el tiempo de establecimiento da 3.54 s, medido sobre la respuesta simulada: la fórmula 4/(ζωn) es solo una cota aproximada. También calcula el margen de fase, unos 34.9° a 2.86 rad/s.

Lugar de las raíces, Bode y diseño

El lugar de las raíces muestra cómo se mueven los polos de lazo cerrado al variar una ganancia K, y permite elegir K para un ζ deseado. Los diagramas de Bode y Nyquist analizan la respuesta en frecuencia y dan los márgenes de ganancia y de fase, una medida de cuánto le falta al sistema para volverse inestable. Con ellos se diseñan compensadores de adelanto o atraso y se sintonizan controladores PID.

Cómo usar la herramienta

  1. Dibuja el diagrama de bloques (entrada, sumadores, bloques con su función de transferencia, salida) o carga un ejemplo.
  2. Lee la reducción paso a paso hasta T(s), la estabilidad con la tabla de Routh, el tipo y los errores, y la respuesta al escalón con sus polos.
  3. Explora el lugar de las raíces, Bode y Nyquist, y usa las pestañas de diseño: especificaciones, sintonía de PID, adelanto/atraso, espacio de estados y control digital.

Errores frecuentes

Para profundizar

K. Ogata, Ingeniería de control moderna (Pearson); N. S. Nise, Sistemas de control para ingeniería (CECSA/Wiley). Simuveliq no está afiliado a estos autores ni editoriales.

Más herramientas

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