Problema 5.4#
Sea un sistema de segundo orden con una entrada sinusoidal, \(m(t) = 1 \sin(2 t)\). Demostrar que la respuesta estacionaria cumple las siguientes proposionciones:
una función sinusoidal,
tiene una amplitud \(\frac{1}{\sqrt{(1-t\tau^2)^2+(4\zeta\tau)^2}}\) y
tiene como desfase \(\varphi = \mathrm{atan}\left(\frac{-4\zeta\tau}{1-4\tau^2}\right)\).
Solución
Este problema se puede resolver resolviendo directamente la ecuación diferencial o utilizando la función de transferencia de un sistema lineal de segundo orden.
Ecuación diferencial
La ecuación a resolver es:
Para resolver analíticamente la ecuación se puede recurrir a Sympy. Para resolver la ecuación diferencial se ha supuesto que:
lo que es razonable asumiendo que se está trabajando con variables de desviación.
En el enunciado del problema no se dice si se trata de un sistema subamortiguado (\(\zeta < 1\)), críticamente amortiguado (\(\zeta = 1\)) o sobreamortiguado (\(\zeta > 1\)).
1. Sistema sobreamortiguado: La constante de tiempo \(\tau\) y el coeficiente de amortiguamiento \(\zeta\) son siempre positivas. Por tanto, si \(\zeta > 1\) el producto \(\tau^2 (\zeta - 1) (\zeta + 1)\) será positivo. Resolviendo la ecuación:
using SymPy
t, T = symbols("t tau", real=true)
z = symbols("zeta", positive=true)
s = symbols("s")
y = SymFunction("y")
deq = Eq(T^2*y''(t) + 2*z*T*y'(t) + y(t), sin(2*t))
ics = ((y, 0, 0), (y', 0, 0))
sol = rhs(dsolve(deq, y(t), ics=ics))
La respuesta obtenida se puede dividir en dos partes diferenciadas, una transitoria y otra estacionaria. La parte transitoria de la respuesta es:
El cálculo de este límite parece muy complicado, pero, en realidad, es muy simple ya que aparecen términos de tipo \(\exp(-t)\) que se anulan cuando el tiempo tiende a infinito.
La parte más importante es la porción estacionaria, ya que será la que marque la dinámica tras los instantes iniciales. Despreciando la parte transitoria se obtiene la siguiente respuesta:
Operando y aplicando la propiedad trigonométrica:
donde \(z^2 = x^2 + y^2\) y \(\varphi = \mathrm{atan} (y / x)\) y sabiendo que:
se obtiene:
Se comprueba que se trata, tal como dice el problema, de:
i. Una función sinusoidal
ii. La amplitud es \(\frac{1}{\sqrt{(1 - 4 \tau^2)^2 + (4 \zeta \tau)^2}} = \frac{1}{\sqrt{16 \tau^2 \zeta^2 + 16 \tau^4 - 8 \tau^2 + 1}}\)
iii. El desfase es \(\varphi = \mathrm{atan} \left( - \frac{4 \tau \zeta}{4 \tau^2 - 1} \right)\)
Función de transferencia
La función de transferencia del sistema propuesto por el problema es:
La entrada a este sistema es \(m (t) = 1 \sin 2 t\), realizando la transformada de Laplace
La respuesta del sistema será:
Realizando el cálculo para un sistema sobreamortiguado se obtiene:
G = 1/(T^2*s + 2z*T*s +1)
m = 2/(s^2+4)
sol_b = sympy.inverse_laplace_transform(G*m, s, t)
sol_b = simplify(sol)
sol_b = collect(sol, sin(2t))
Con paciencia, se puede comprobar que se obtiene el mismo resultado que resolviendo la ecuación diferencial.