El documento describe conceptos relacionados con circuitos RC y respuestas de sistemas de control a diferentes tipos de señales de entrada. Explica el comportamiento de un circuito RC simple en serie y cómo calcular su voltaje a través del tiempo. Luego, cubre conceptos como la respuesta forzada a funciones senoidales, las especificaciones comunes para describir respuestas transitorias como tiempo de retardo, sobrepaso máximo y tiempo de establecimiento, y cómo definir errores y coeficientes estáticos para describir la precisión en el régimen permanente.

1. Republica Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior
Maracaibo, Edo-Zulia
Sistemas de controles industriales
Realizado por:
Alberto Hernández

2. Circuito RC (en serie)
El circuito RC más simple que existe consiste en un
condensador y una resistencia en serie. Cuando un
circuito consiste solo de un condensador cargado y una
resistencia, el condensador descargará su energía
almacenada a través de la resistencia. La tensión o
diferencia de potencial eléctrico a través del
condensador, que depende del tiempo, puede hallarse
utilizando la ley de Kirchhoff de la corriente, donde la
corriente a través del condensador debe ser igual a la
corriente a través de la resistencia

3. Circuito RC (en serie)
Esto resulta en la ecuación diferencial lineal:
Resolviendo esta ecuación para V se obtiene la fórmula
de decaimiento exponencial:
Donde V0 es la tensión o diferencia de potencial eléctrico
entre las placas del condensador en el tiempo t = 0.
El tiempo requerido para que el voltaje caiga hasta es denominado
"constante de tiempo RC" y es dado por:

4. Respuesta forzada a las
funciones senoidales
Al aplicar una función senoidal a un circuito simple, el
resultado o respuesta del circuito estará compuesto de dos
partes, una respuesta natural que depende de la clase de
circuito únicamente, y una respuesta forzada que será una
composición de las funciones derivadas de la función de
excitación; el estado senoidal permanente se refiere
entonces al estado en el que el circuito a alcanzado la
respuesta forzada

5. Respuesta forzada a las
funciones senoidales
Para dado que el circuito tiene que cumplir con la ecuación diferencial:
La respuesta forzada debe tener la forma:
Reemplazando en esta ecuación y agrupando los términos
semejantes se tiene:
De donde se obtiene:
Con esto se obtiene la respuesta forzada completa:

6. Especificaciones de las
respuestas transitorias
En muchos casos prácticos, las características de desempeño
deseadas del sistema de control, sean en tiempo continuo o en
tiempo discreto, se especifican en términos de cantidades en el
dominio del tiempo. Los sistemas que pueden almacenar energía
no responden instantáneamente y exhiben respuestas transitorias
cada vez que están sujetos a entradas o perturbaciones.
Con frecuencia, las características de desempeño de un sistema de
control se especifican en términos de la respuesta transitoria para
una entrada escalón unitario, dado que esta es fácil de generar y
es suficientemente drástica. (Si se conoce la respuesta a una
entrada escalón, es matemáticamente posible calcular la
respuesta para cualquier entrada.).

7. Especificaciones de las
respuestas transitorias
La respuesta transitoria de un sistema para una entrada
escalón unitario depende de las condiciones iniciales. Por
conveniencia al comparar respuestas transitorias de varios
sistemas, es una práctica común usar la condición inicial
estándar de que el sistema está en reposo al inicio, por lo
cual la salida y todas las derivadas con respecto al tiempo
son cero. De este modo, las características de respuesta se
comparan con facilidad. La respuesta transitoria de un
sistema de control práctico exhibe con frecuencia
oscilaciones amortiguadas antes de alcanzar el estado
estable.

8. Especificaciones de las
respuestas transitorias
Al especificar las características de la respuesta transitoria
de un sistema de control para una entrada escalón unitario,
es común especificar lo siguiente:
1. Tiempo de retardo, td
2. Tiempo de subida, tr
3. Tiempo pico, tp
4. Sobrepaso máximo, Mp
5. Tiempo de establecimiento, ts

9. Especificaciones de las
respuestas transitorias
Estas especificaciones se definen enseguida y aparecen en forma grafica en la
figura:
1. Tiempo de retardo, td: el tiempo de retardo es el tiempo requerido para
que la respuesta alcance la primera vez la mitad del valor final.
2 .Tiempo de subida, tr: el tiempo de subida es el tiempo requerido para que
la respuesta pase del 10 al 90%, del 5 al 95% o del 0 al 100% de su valor final.
Para sistemas subamortiguados de segundo orden, por lo común se usa el
tiempo de subida de 0 a 100%. Para sistemas sobre amortiguados, suele
usarse el tiempo de subida de 10 a 90%.

10. Especificaciones de las
respuestas transitorias
3. Tiempo pico, tp: el tiempo pico es el tiempo
requerido para que la respuesta alcance el primer
pico del sobrepaso.

11. Especificaciones de las
respuestas transitorias
4. Sobrepaso máximo (porcentaje), Mp: el sobrepaso
máximo es el valor pico máximo de la curva de
respuesta, medido a partir de la unidad. Si el valor final
en estado estable de la respuesta es diferente de la
unidad, es común usar el porcentaje de sobrepaso
máximo. Se define mediante:

12. Especificaciones de las
respuestas transitorias
La cantidad de sobrepaso máximo (en porcentaje) indica de
manera directa la estabilidad relativa del sistema.
Los sobrepasos se presentan en números impares de n
(n=1,3,5…) y los sobrepasos negativos ocurren en valores
positivos de n (n=2,4,6,…). Debe hacerse notar que si bien una
respuesta para una entrada escalón con ξ≠0 no es periódica, los
sobrepasos y los sobrepasos negativos se presentan a intervalos
periódicos.

13. Especificaciones de las
respuestas transitorias
5. Tiempo de establecimiento, ts: el tiempo de establecimiento es el
tiempo que se requiere para que la curva de respuesta alcance un
rango alrededor del valor final del tamaño especificado por el
porcentaje absoluto del valor final (por lo general, de 2 a 5%) y
permanezca dentro de él.
El tiempo de establecimiento se relaciona con la mayor constante de
tiempo del sistema de control. Los objetivos del diseño del sistema en
cuestión determinan cual criterio de error en porcentaje usar.

14. Especificaciones de las
respuestas permanentes
Centrándose en la precisión del equipo en el régimen permanente, la
medida será obtenida por aplicación del teorema del valor final:
Como se ha explicado anteriormente, la precisión depende de la señal
de entrada y de la FDT del sistema de control. Para comprender mejor el
error cometido en el régimen estacionario, se definen unas constantes
de error o también llamados coeficientes estáticos de error. Estas
constantes facilitan la información sobre la precisión que tiene el
sistema en el régimen permanente, cuando el equipo es sometido a
señales de entrada de tipo normalizado o de test.

15. Especificaciones de las
respuestas permanentes
1. Error y coeficiente estático para el escalón unitario, ep y kp:
2. Error y coeficiente estático para la rampa unitaria, ev y kv:
3. Error y coeficiente estático para la parábola unitaria, ea y ka.