circuito rc modelado

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Universidad Nacional del Comahue Facultad de Ingenier´ ıa -Departamento de Electrotecnia - Se˜ nales y Sistemas - a˜ no 2006 Laboratorio de Modelado de Sistemas I. OBJETIVOS El objetivo del laboratorio es comparar la respuesta temporal te´ orica del modelo de un sistema RC sencillo con la respuesta real del circuito propuesto. II. CIRCUITO EL ´ ECTRICO Se propone el siguiente circuito para el an´ alisis La llave S 1 se cierra en t =0 y la llave S 2 se cierra en t = t 0 . III. MODELO MATEM ´ ATICO El modelo para t<t 0 puede hallarse planteando las siguientes ecuaciones: ˙ v C 1 = i C 1 C = v e - v C 1 RC = - v C 1 RC + v e RC ˙ v C 1 = - 1 RC v C 1 + 1 RC v e (1) En t = t 0 se cierra S 2 y el modelo matem´ atico se halla como sigue. ˙ v C 1 = i C 1 C = i 1 - i 2 C = v e - v C 1 RC - v C 1 - v C 2 RC = v e RC - v C 1 RC - v C 1 RC + v C 2 RC ˙ v C 1 = v e RC - 2 v C 1 RC + v C 2 RC por otro lado ˙ v C 2 = i C 2 C = v C 1 - v C 2 RC ˙ v C 2 = v C 1 RC - v C 2 RC Tomando como estados las tensiones en los capacitores, el modelo puede escribirse matricialmente ˙ v C 1 ˙ v C 2 = - 2 RC 1 RC 1 RC - 1 RC v C 1 v C 2 + 1 RC 0 v e (2)

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Page 1: Circuito RC Modelado

Universidad Nacional del Comahue

Facultad de Ingenierıa -Departamento de Electrotecnia - Senales y Sistemas - ano 2006

Laboratorio de Modelado de Sistemas

I. OBJETIVOS

El objetivo del laboratorio es comparar la respuesta temporal teorica del modelo deun sistema RC sencillo con la respuesta real del circuito propuesto.

II. C IRCUITO ELECTRICO

Se propone el siguiente circuito para el analisis

La llave S1 se cierra ent = 0 y la llave S2 se cierra ent = t0.

III. M ODELO MATEMATICO

El modelo parat < t0 puede hallarse planteando las siguientes ecuaciones:

vC1 =iC1

C=

ve − vC1

RC= − vC1

RC+

ve

RC

vC1 = − 1

RCvC1 +

1

RCve (1)

En t = t0 se cierraS2 y el modelo matematico se halla como sigue.

vC1 =iC1

C=

i1 − i2C

=ve − vC1

RC− vC1 − vC2

RC=

ve

RC− vC1

RC− vC1

RC+

vC2

RC

vC1 =ve

RC− 2

vC1

RC+

vC2

RC

por otro lado

vC2 =iC2

C=

vC1 − vC2

RC

vC2 =vC1

RC− vC2

RC

Tomando como estados las tensiones en los capacitores, el modelo puede escribirsematricialmente vC1

vC2

=

− 2RC

1RC

1RC

− 1RC

vC1

vC2

+

1RC

0

ve (2)

Page 2: Circuito RC Modelado

Senales y Sistemas - 2006

IV. RESOLUCION TEMPORAL DEL MODELO

IV-A. Solucion utilizando la matriz de transicion

IV-A.1. t < t0: el modelo esta descripto por la ecuacion 1 y para encontrar lasolucion se debe resolver la ecuacion diferencial 3.

x(t) = eA t x0 +∫ t

0eA(t−τ) B u(t) dτ (3)

donde el estadox(t) = vC1, la matriz A es el escalar− 1RC

y la matriz B = 1RC

.Entonces

vC1 = e−t/RC v0 +∫ t

0e−(t−τ)/RC 1

RCve dτ

tomando condiciones inicialesv0 = 0 (considera el capacitor inicialmente descargado)

vC1 =∫ t

0e−(t−τ)/RC 1

RCve dτ

vC1 = ve

(1− e−

1RC

t)

(4)

IV-A.2. t > t0: el modelo esta descripto por la ecuacion 2. Nuevamente se planteala resolucion de la siguiente ecuacion diferencial 3.

En este caso existen condiciones iniciales para el estadovC1 dado por el valor detension del mismo al cerrar la llaveS2. Para el capacitorC2 se considera carga inicialnula.

Para resolver, se realiza una transformacion lineal del sistema, donde la matrizde transformacion esta formada por lo autovectores de la matriz A, ubicados comocolumnas.

T =

−12

+ 12

√5 −1

2− 1

2

√5

1 1

y

T−1 =

15

√5 1

10

(√5 + 1

)√5

−15

√5 1

10

(√5− 1

)√5

Con esta matriz se puede transformar la matriz A de la siguiente manera

Λ = T−1AT =

12

√5−3RC

0

0 −12

3+√

5RC)

donde los elementos diagonales son los autovalores de la matriz A, es decir

Λ =

λ1 0

0 λ2

La ecuacion de estado se transforma como sigue

x∗(t) = T−1ATx∗(t) + T−1Bu(t)

x∗(t) = Λx∗(t) + T−1Bu(t)

2

Page 3: Circuito RC Modelado

Senales y Sistemas - 2006

y es necesario resolver nuevamente la integral dada por la ecuacion 3, en la cualreemplazando las matrices del modelo transformado queda

x∗(t) = eΛ t x∗0 +∫ t

0eΛ(t−τ) T−1B u(t) dτ (5)

dondex∗0 = T−1x0.

Entonces v∗C1

v∗C2

=

eλ1 0

0 eλ2

x∗0 +∫ t

0

eλ1(t−τ) 0

0 eλ2(t−τ)

T−1B u(t) dτ (6)

Para resolver el sistema numericamente se consideraR = 10kΩ, C = 470µF , ve =

10V y t0 = 5s.

Reemplazando los valores en la ecuacion 4 y en 6 luego de operar se llega parat < 5

vC1(t) = 10(1− e−0,213t)

en t = 5s (instante en que se cierraS2)

vC1(5) = 6, 32V

parat > 5 y reemplazando los valores de las constantes la solucion del modelo queda

vC1(t)

vC2(t)

=

9, 62 + 1, 92e−0,55(t−5) − 5, 226e−0,0813(t−5)

9, 6− 1, 11e−0,55(t−5) − 8, 49e−0,0813(t−5)

Se presenta a continuacion la resolucion del modelo utilizando la transformada de

Laplace.

IV-B. Solucion con la transformada de Laplace

IV-B.1. t < t0: el sistema transformado queda

s vC1(s) − vC1(0) = − 1

RCvC1(s) +

1

RCve(s)

Entonces

(s +1

RC)vC1(s) =

1

RCve(s) ⇒ vC1(s) =

1RC

s + 1RC

ve(s)

De esta manera y asumiendo una entrada escalon parave

vC1(t) = L−1 1

RC

s(s + 1RC

)

= k

(1− e−t/RC

)dondek es la altura del escalon. Entonces, reemplazando los valores constantes

vC1(t) = 10(1− e−0,213t

)3

Page 4: Circuito RC Modelado

Senales y Sistemas - 2006

IV-B.2. t > t0: el modelo transformado queda

s vC(s) − vC(t0) = A vC(s) + B ve(s)

Luego, despues de manipulaciones algebraicas y asumiendot0 = 5 queda vC1

vC2

=k

s3 + 3 s2

RC+ s

(RC)2

1RC

(s + 1RC

)1

(RC)2

+1

s2 + 3 sRC

+ 1(RC)2

0,65k(s + 1RC

)0,685k(RC)2

Realizando la antitransformada se encuentra la solucion del modelo en el tiempo y

para que sea valido en el modelo global se desplaza el eje del tiempo ent0 = 5. Lasolucion se da para las constantes adoptadas en la seccion anterior. vC1(t)

vC2(t)

=

10− 5, 45e−0,081t + 1, 76e0,55(t−5)

10− 8, 79e−0,081t − 1, 21e−0,557(t−5)

En el siguiente grafico se representa la evolucion de los estados en funcion del tiempo.

V. EXPERIENCIA PRACTICA

Se presenta en la clase del 30 de Marzo del 2006 el desarrollo practico con el circuitoelectrico propuesto, observando con un osciloscopio la evolucion de los estados.

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