Significado del "polo" de una función de transferencia con retardo de tiempo

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Aprendí en teoría de control básica que podemos determinar la estabilidad de un sistema LTI mediante los signos de la parte real de los polos de su función de transferencia \ $ H (s) = \ frac {N (s)} {D (s)} \ $. Para un sistema racional, donde \ $ N (s) \ $ y \ $ D (s) \ $ son polinomios es s, es fácilmente comprensible porque una parte real positiva del polo causará un aumento exponencial en el dominio del tiempo, siendo así inestable. Mi pregunta es, si el sistema tiene un retraso de T segundos en algún lugar, entonces \ $ H (s) \ $ contendrá un factor \ $ \ exp (-sT) \ $, algunas veces en el denominador. En este caso, ¿por qué aún podemos determinar la estabilidad al observar la parte real de los "polos" de \ $ H (s) \ $ (puntos en el plano s donde \ $ D (s) = 0 \ $)?

Un ejemplo:

$$ N (s) = s $$

$$ D (s) = como ^ 2 + bs + c + d \ cdot \ exp (-sT) $$

donde a, b, c, d y T son constantes.

En este caso, no podemos hacer una expansión parcial de fracciones como lo hacemos para las funciones de transferencia racional. Entonces, ¿cómo vincular el comportamiento del dominio del tiempo a las raíces de \ $ D (s) \ $?

    
pregunta George C

2 respuestas

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Creo que la propiedad a la que te refieres es

$$ \ mathcal {L} \ left \ {f (t- \ tau) \ right \} = e ^ {- s \ tau} \ mathcal {L} \ left \ {f (t) \ right \ } $$

Esto significa que su función de transferencia no sigue realmente esa regla, y realmente no tiene un retraso de tiempo:

$$ H (s) = \ frac {s} {as ^ 2 + bs + c + de ^ {- sT}} $$

La resolución de la transformada de Laplace inversa para esta función probablemente involucre métodos numéricos. Lo que es es posible, es tener algo como esto:

$$ H (s) = \ frac {s + de ^ {- sT}} {como ^ 2 + bs + c} $$

Porque se puede separar en:

$$ H (s) = \ frac {s} {as ^ 2 + bs + c} + e ^ {- sT} \ frac {d} {as ^ 2 + bs + c} $$

Puedes ver que el segundo término también se puede separar en fracciones parciales, como el primer término. Los polos del denominador luego dirán algo sobre la estabilidad de la función de transferencia.

Estabilidad en general

La fórmula para la transformada de Laplace inversa es

$$ f (t) = \ frac {1} {2 \ pi j} \ lim_ {T \ to \ infty} \ int _ {\ sigma-jT} ^ {\ sigma + jT} F (s) e ^ {st} ds $$

donde \ $ \ sigma \ $ se elige para que sea mayor que todas las singularidades de \ $ F (s) \ $ en el plano complejo (en nuestro caso, de modo que incluya todos polos).

Esta integral se resuelve de manera equivalente mediante el Teorema de residuos de Cauchy :

$$ f (t) = \ mathcal {L} ^ {- 1} \ left \ {F (s) \ right \} = \ sum_ {all \ poles \ of \ F (s)} Res \ left [F (s) e ^ {st} \ right] $$ Recuerda, esto es general , es decir. ¡Siempre funciona para una función de transferencia con cualquier singularidad!

Por lo tanto, no importa si los polos provienen o no de un polinomio o de una función trascendental. Mientras las singularidades estén todas en el semiplano izquierdo, su residuo siempre contendrá un exponencial que decae a 0 en lugar de infinito. Cualquier singularidad en el RHP siempre conducirá a una exponencial que explota.

Apéndice

Se puede observar que \ $ e ^ {- sT} \ $ se puede expandir en su serie de Taylor:

$$ e ^ {z} = \ sum_ {n = 0} ^ {+ \ infty} \ frac {z ^ n} {n!} $$

Esto significa que su función de transferencia de ejemplo puede escribirse como

$$ \ begin {align} H (s) & = \ frac {s} {as ^ 2 + bs + c + d \ cdot (\ sum_ {n = 0} ^ {+ \ infty} \ frac {(- sT) ^ n} {n !})} \\ & = \ frac {s} {\ sum_ {n = 0} ^ {+ \ infty} A_ns ^ n} \ end {align} $$

Donde \ $ A_0 = c + d \ $, \ $ A_1 = b - d \ cdot T \ $, \ $ A_2 = a + d \ frac {T ^ 2} {2} \ $, \ $ A_n = d \ frac {(- T) ^ n} {n!}, \ forall n > 2 \ $.

Este tipo de función de transferencia tiene "polos" por todas partes. Esto es para ilustrar que definitivamente no puede lidiar con esto como una función de transferencia regular de segundo orden.

Apéndice

El residuo de un polo (simple) es

$$ Res_ {s = a} \ left [H (s) \ right] = \ lim_ {s \ to a} (s-a) F (s) $$

Para polos con multiplicidad \ $ n \ $:

$$ Res_ {s = a} \ left [H (s) \ right] = \ frac {1} {(n-1)!} \ lim_ {s \ to a} \ frac {d ^ {n -1}} {ds ^ {n-1}} \ left ((sa) ^ n H (s) \ right) $$

    
respondido por el Sven B
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La expresión para un retardo de tiempo (tiempo muerto) en el dominio de frecuencia exp (-sT) es una función trascendental. No puede modelarse con elementos agrupados y, por lo tanto, no puede combinarse directamente con una función de transferencia que consiste en polinomas en "s". Sin embargo, para este propósito, se puede aproximar mediante la siguiente expresión (aproximación Pade de segundo orden):

$$ H_d (s) = \ frac {1- \ frac {sT} {2} + \ frac {s ^ 2 T ^ 2} {12}} {1+ \ frac {sT} {2} + \ frac {s ^ 2 T ^ 2} {12}} $$

Esta es una función racional (allpass) y aparece como un factor en la ganancia de bucle y aparece, por supuesto, en la función de transferencia de bucle cerrado. Aquí se puede tratar como cada bloque en el circuito cerrado.

    
respondido por el LvW

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