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Matemáticas para ingeniería

Modelos de estado y funciones de transferencia

Dos objetos pueden recibir la misma fuerza y ocupar ahora la misma posición, pero moverse de manera distinta si sus velocidades no coinciden. El estado guarda esa memoria necesaria. Vamos a construirlo desde una ecuación conocida, leer cada fila de sus matrices y después deducir qué parte del comportamiento recoge una función de transferencia.

1. El estado guarda la memoria que necesitamos para predecir

Conocer la entrada actual no suele bastar para conocer la salida actual o futura. El estado reúne la información que, junto con la entrada futura y el modelo, permite continuar la trayectoria. No almacena todo el pasado literalmente: lo resume en las variables relevantes. En un modelo de movimiento de segundo orden suelen ser posición q y velocidad v.

Observar solo la posición actual no fija la trayectoria
Misma posición; distinta velocidadq(0)=0, u=0 en ambos casos0,2−0,2014Azul: v(0)=1Rojo: v(0)=−1
Para q″+4q′+3q=0, q(0)=0 y velocidades iniciales opuestas, las posiciones son ±[exp(−t)−exp(−3t)]/2. Ambas parten de cero y vuelven hacia cero, pero recorren lados opuestos. El estado necesita conservar la velocidad además de la posición.

La salida es lo que decidimos observar, por ejemplo solo q. Estado y salida no son sinónimos; puede haber más estados que sensores. Aquí trabajamos con ecuaciones ordinarias de dimensión finita. Un retardo exacto o un campo de temperatura continuo puede necesitar una descripción de otra clase.

La misma posición no implica el mismo futuro

q″+4q′+3q=0, con q(0)=0 y velocidades iniciales +1 o −1.

  1. Dato común

    Ambas trayectorias empiezan en posición cero y tienen la misma entrada nula.

  2. Dato distinto

    Sus pendientes iniciales son opuestas.

    Las soluciones son q₊=[exp(−t)−exp(−3t)]/2 y q₋=−q₊.
  3. Comprobar

    En cero ambas valen cero, pero q₊′(0)=1 y q₋′(0)=−1.
    Sustituir sus exponentes en λ²+4λ+3=0 verifica la ecuación.
Resultado

Necesitamos conservar la velocidad para distinguir las dos trayectorias.

Lo comprobamos

La salida medida q(0)=0 por sí sola no selecciona una de ellas.

Elegir qué se guarda y qué se observa

Un movimiento tiene estado x=(q, v)ᵀ y el sensor solo mide posición.

  1. Estado

    x contiene dos números, uno con posición y otro con velocidad.

  2. Salida

    y=q se escribe y=[1,0]x.

    Esa fila toma la primera componente y no la segunda.

  3. Predicción

    Si además conocemos la ecuación y la entrada futura, x(0) fija cómo seguirá el movimiento. No hace falta conservar una lista de todas las posiciones pasadas.

Resultado

Dos estados pueden producir una sola salida medida en cada instante.

Lo comprobamos

No observar directamente v no significa que v deje de influir en la evolución de q.

2. Una ecuación cambia el estado y otra lee la salida

Un sistema lineal invariante en el tiempo se escribe x′=Ax+Bu y y=Cx+Du, con matrices constantes. La primera ecuación da la derivada del estado; la segunda produce la salida. Cada fila expresa una ecuación escalar. Du es paso directo: la entrada puede aportar a la salida sin esperar a que cambie el estado.

La dinámica es lineal en estado y entrada juntos. Si fijamos un estado inicial no nulo y miramos solo el mapa de entrada a salida, aparece una respuesta libre independiente de la entrada: ese mapa es afín en general, no lineal homogéneo. La función de transferencia se definirá usando estado inicial cero.

Leer una fila como una cuenta concreta

A=[[0,1],[−3,−4]], B=(0,2)ᵀ, C=(1,0), D=0; x=(1,−2)ᵀ y u=3.

  1. Primera fila

    q′=v=−2.
  2. Segunda fila

    v′=−3q−4v+2u=−3+8+6=11.
  3. Salida

    y=q=1.
    El estado actual no es su derivada: x=(1,−2), mientras x′=(−2,11).
Resultado

Las matrices reúnen ecuaciones sin cambiar el significado de sus variables.

Lo comprobamos

La entrada aparece en la aceleración; no se añade directamente a q′ ni a y en este modelo.

Separar paso directo y respuesta libre

x′=−2x+u, y=3x+(1/2)u; x(0)=1.

  1. Entrada nula

    Con u=0, x=exp(−2t) y y=3exp(−2t).

    Entrada cero no da salida cero por el dato inicial.

  2. Cambio de entrada

    Si u salta de cero a dos, un estado ordinario continuo conserva el mismo valor inmediato, pero el término (1/2)u añade uno a la salida.

  3. Interpretación

    La salida puede saltar por D, mientras el estado sigue una ecuación diferencial sin salto para entradas ordinarias localmente integrables.

Resultado

El paso directo y la memoria interna son mecanismos diferentes.

Lo comprobamos

Un impulso ideal podría cambiar el estado; no lo confundimos con un escalón finito.

3. Dimensiones y unidades permiten revisar el modelo antes de resolverlo

Si x tiene n componentes, u tiene m e y tiene p, las matrices son A de n×n, B de n×m, C de p×n y D de p×m. Ax y Bu deben tener n componentes; Cx y Du, p. No se suman vectores de tamaños incompatibles.

El orden de las columnas debe coincidir con el orden declarado de variables.

Las unidades de los estados pueden ser distintas. Cada coeficiente convierte la unidad de su variable en la unidad de la fila correspondiente. En un movimiento, q′ se mide como velocidad y v′ como aceleración. Tener los tamaños correctos no garantiza tener las unidades ni los coeficientes físicos correctos.

Dos entradas y una salida siguen teniendo tamaños precisos

A=diag(−1,−2), B=[[0,1],[2,0]], C=(1,−1), D=(0,3), x=(2,1)ᵀ, u=(4,−1)ᵀ.

  1. Dinámica

    Ax=(−2,−2)ᵀ y Bu=(−1,8)ᵀ; entonces x′=(−3,6)ᵀ.
  2. Salida

    Cx=2−1=1 y Du=0·4+3·(−1)=−3, así y=−2.
  3. Tamaños

    A y B son 2×2; C y D, 1×2. La salida es escalar aunque haya dos estados y dos entradas.

Resultado

Las dimensiones se comprueban en cada producto y también en cada suma.

Lo comprobamos

Intercambiar las dos entradas sin intercambiar las columnas de B y D describiría otra conexión.

Una ecuación de movimiento conserva masa, rozamiento y rigidez

(1/2)q″+2q′+(3/2)q=u, con masa en kg, q en m y u en N.

  1. Dividir por la masa

    q″=−3q−4q′+2u.

    La masa es 1/2 kg, el rozamiento 2 kg/s y la rigidez 3/2 kg/s².

  2. Unidades de la segunda fila

    El factor de q tiene unidad s⁻², el de v unidad s⁻¹ y el de u unidad kg⁻¹. Todos producen m/s².

  3. Primera fila

    q′=v ya está en m/s.

    No se suman posición y velocidad sin los coeficientes con sus unidades.

Resultado

La forma numérica coincide con el modelo de dos estados que estamos construyendo.

Lo comprobamos

El factor dos de la entrada proviene de dividir entre la masa, no de una regla general para toda fuerza.

4. Bajar el orden significa introducir variables, no perder condiciones

Para q″+4q′+3q=2u elegimos x₁=q y x₂=q′.
Entonces x₁′=x₂ por definición y x₂′=−3x₁−4x₂+2u por la ecuación.

Las condiciones q(0) y q′(0) forman x(0). La ecuación de segundo orden se ha repartido en dos de primero de forma exacta.

Posición y velocidad guardan la memoria de una ecuación de segundo orden
La fuerza no cuenta toda la historiaEntrada u(t)Estado: q y vq′=vv′=−3q−4v+2uSalida observada: y=qx(0) fija posición y velocidad.Dos estados; una sola salida.
El modelo q″+4q′+3q=2u se escribe con dos estados q y v=q′. La entrada cambia la aceleración, mientras la salida elegida solo observa q. El mismo valor actual de q puede evolucionar de forma distinta si cambia v. Las ecuaciones y el dato inicial de ambos estados permiten predecir la trayectoria.

En orden mayor repetimos la idea usando la salida y sus derivadas sucesivas, después de dividir por el coeficiente principal no nulo. La elección de estado no es única. Este procedimiento elemental se aplica a ecuaciones de la forma indicada; si aparecen derivadas de la entrada, conviene revisar la realización y qué datos tratamos como entradas.

Construir y recuperar la ecuación de segundo orden

q″+4q′+3q=2u, salida y=q.

  1. Asignar

    x₁=q, x₂=q′.
  2. Matrices

    A=[[0,1],[−3,−4]], B=(0,2)ᵀ, C=(1,0), D=0.
  3. Volver atrás

    Derivar x₁′=x₂ da q″=x₂′=−3q−4q′+2u.

    No se perdió ni se aproximó ningún término.

Resultado

Dos datos iniciales pasan a dos componentes del estado.

Lo comprobamos

Si q(0)=2 y q′(0)=−1, el vector inicial es (2,−1)ᵀ en ese orden.

La misma construcción admite tres derivadas

y‴+6y″+11y′+6y=u.

  1. Tres estados

    x₁=y, x₂=y′, x₃=y″.
    Las dos primeras filas son x₁′=x₂ y x₂′=x₃.
  2. Última fila

    x₃′=−6x₁−11x₂−6x₃+u.
    Así A=[[0,1,0],[0,0,1],[−6,−11,−6]], B=(0,0,1)ᵀ.
  3. Salida e inicio

    C=(1,0,0), D=0.
    Los datos y(0)=1, y′(0)=−1, y″(0)=2 forman x(0)=(1,−1,2)ᵀ.
Resultado

El orden se conserva como número de variables de primer orden.

Lo comprobamos

La fila final permite reconstruir exactamente la tercera derivada de la salida.

5. La transferencia aparece al separar entrada y estado inicial

Transformando unilateralmente obtenemos sX−x₀=AX+BU.
Cuando sI−A es invertible, X=(sI−A)⁻¹BU+(sI−A)⁻¹x₀.
Al leer la salida resulta Y=[C(sI−A)⁻¹B+D]U+C(sI−A)⁻¹x₀.

Las señales deben admitir transformada en un semiplano común suficiente para esta deducción.

G(s)=C(sI−A)⁻¹B+D es la función de transferencia de estado cero.

No contiene por sí sola la segunda aportación inicial. Para una entrada y una salida es escalar; en varias entradas y salidas es una matriz. Podemos resolver un sistema con sI−A en lugar de calcular una inversa explícita completa.

Deducir la transferencia sin ocultar los datos iniciales

Modelo q′=v, v′=−3q−4v+2u; q(0)=a, v(0)=b.

  1. Primera fila

    sQ−a=V.
  2. Segunda fila

    sV−b=−3Q−4V+2U.
    Sustituir V=sQ−a da (s²+4s+3)Q=2U+(s+4)a+b.
  3. Separar

    G=2/(s²+4s+3).
    La respuesta inicial en Q es [(s+4)a+b]/(s²+4s+3); desaparece solo si a=b=0.
Resultado

La transferencia y el término inicial responden a preguntas distintas del mismo modelo.

Lo comprobamos

Poner U=0 no obliga a Q=0 si el objeto empezó desplazado o con velocidad.

Un término directo se suma a la ruta a través del estado

x′=−3x+2u, y=4x+u, con estado inicial cero.

  1. Estado

    (s+3)X=2U, así X/U=2/(s+3).
  2. Salida

    Y/U=4·2/(s+3)+1=(s+11)/(s+3).
  3. Separar memoria y paso directo

    G tiene una parte dinámica 8/(s+3) y otra instantánea uno.

    Si x(0)=2, habría además salida libre 8exp(−3t).
Resultado

D=1 permanece visible incluso a frecuencias muy altas.

Lo comprobamos

No se multiplica D por (sI−A)⁻¹: el paso directo no pasa por el estado.

6. Polos, ceros y equilibrio se interpretan conservando la dinámica

Para una transferencia escalar racional reducida, los polos son raíces del denominador y los ceros raíces del numerador. Simplificamos factores comunes para identificar la relación externa, pero conservamos las matrices si queremos estudiar todos los modos internos. No todo autovalor de una realización no mínima tiene que aparecer como polo de G.

Con A invertible y entrada constante, el equilibrio satisface x_eq=−A⁻¹Bu_eq e y_eq=(D−CA⁻¹B)u_eq=G(0)u_eq. Es una identidad algebraica. Llegar a ese equilibrio desde otros datos requiere estabilidad y condiciones dinámicas; no se demuestra solo poniendo s=0.

Encontrar un equilibrio y sus polos en el modelo de movimiento

G=2/[(s+1)(s+3)], entrada constante u=1.

  1. Polos

    Son −1 y −3; el numerador constante no introduce ceros finitos.

  2. Equilibrio

    q′=v=0 y 0=−3q+2, por tanto q_eq=2/3 y v_eq=0.
  3. Ganancia

    G(0)=2/3.

    Como ambos modos de este modelo decaen, sus trayectorias con entrada constante se acercan a ese equilibrio.

Resultado

El valor de equilibrio y la convergencia se justifican con argumentos separados.

Lo comprobamos

El segundo dato, v_eq=0, no se omite por observar solo q.

Una ganancia algebraica puede describir un equilibrio inestable

x′=x+u, y=x, entrada u=1 y x(0)=0.

  1. Transferencia

    G=1/(s−1), así G(0)=−1 como evaluación racional.
  2. Equilibrio

    Anular la derivada da x_eq=−1.
  3. Trayectoria real

    Con x(0)=0, x=exp(t)−1, que crece y no se acerca a −1.

    El modo de polo +1 es inestable.

Resultado

G(0) no es una promesa de valor final sin estabilidad.

Lo comprobamos

El equilibrio −1 sí es una solución constante si se empieza exactamente allí.

7. Cambiar las coordenadas cambia las matrices, pero conserva el movimiento descrito

Si x=Tz con T constante invertible, entonces z′=T⁻¹ATz+T⁻¹Bu y y=CTz+Du.

También z(0)=T⁻¹x(0).

A y T⁻¹AT son semejantes y tienen los mismos autovalores. Cada trayectoria en z corresponde a una en x; no hemos cambiado la entrada ni la salida física.

La transferencia se conserva porque sI−T⁻¹AT=T⁻¹(sI−A)T y las matrices T se cancelan al formar C̃(sI−Ã)⁻¹B̃+D. Comparar coeficientes sin comparar coordenadas puede hacer parecer distintos dos modelos equivalentes. T debe ser invertible: colapsar estados no es el mismo procedimiento.

Medir la posición con una escala dos veces mayor

Modelo A=[[0,1],[−3,−4]], B=(0,2)ᵀ, C=(1,0); elegir T=diag(2,1).

  1. Coordenadas

    q=2z₁ y v=z₂.
    Entonces z₁′=z₂/2.
  2. Segunda fila y salida

    z₂′=−6z₁−4z₂+2u y y=2z₁.
    Así Ã=[[0,1/2],[−6,−4]], B̃=(0,2)ᵀ y C̃=(2,0).
  3. Comprobar

    El polinomio característico sigue siendo s²+4s+3 y la transferencia 2/(s²+4s+3).

    El dato x(0)=(2,−1) pasa a z(0)=(1,−1).
Resultado

La coordenada numérica cambia; la posición física observada sigue siendo q.

Lo comprobamos

Dejar C=(1,0) después del cambio haría que la salida fuese q/2 y ya no describiría el mismo sensor.

Cambiar solo el orden de las dos variables

Elegir z₁=v y z₂=q.

  1. Permutación

    T=[[0,1],[1,0]] y T⁻¹=T.
  2. Ecuaciones

    z₁′=−4z₁−3z₂+2u; z₂′=z₁.
    La salida es y=z₂.
  3. Matrices

    Ã=[[-4,−3],[1,0]], B̃=(2,0)ᵀ, C̃=(0,1), D=0.
    Sustituir z₁=q′ y z₂=q recupera la ecuación original.
Resultado

Permutar variables exige permutar coherentemente dinámica, entrada, salida e inicio.

Lo comprobamos

La posición ya no está en la primera componente: está en la segunda.

8. La transferencia puede esconder estados que el modelo interno conserva

Una realización es mínima si ninguna de menor dimensión describe la misma transferencia. En sistemas lineales finitos, esto equivale a ser controlable desde la entrada y observable desde la salida. Un modo no alcanzable o no observable puede no participar en la relación externa de estado cero.

Por eso modelos de dimensiones distintas pueden compartir G y aun tener estabilidad interna diferente. La transferencia es útil para conectar señales y estudiar la relación accesible; el estado permite preguntar por memoria, condiciones iniciales y modos ocultos. No se deduce la estabilidad interna de cualquier realización solo mirando una fracción reducida.

Añadir un estado oculto deja la transferencia intacta

w′=w, v′=−2v+u, y=v.

  1. Estado cero

    La entrada solo llega a v.

    Con inicio cero, Y/U=1/(s+2).
  2. Estado oculto

    Si w(0)=1, w=exp(t) crece, aunque la salida no lo mida.

    Su modo +1 no aparece en G.

  3. Menor dimensión

    La ecuación escalar v′=−2v+u, y=v ya realiza la misma G con un estado. La realización de dos estados no era mínima.

Resultado

La relación entrada–salida estable puede coexistir con un estado interno que crece.

Lo comprobamos

No se usa el estado oculto como una nueva entrada ni se le asigna después un valor para alterar la transferencia.

Comprobar que el modelo de movimiento sí necesita sus dos estados

A=[[0,1],[−3,−4]], B=(0,2)ᵀ y C=(1,0).

  1. Alcanzabilidad

    [B, AB]=[[0,2],[2,−8]] tiene determinante −4, no nulo.

    Las dos direcciones de estado son controlables.

  2. Observabilidad

    Las filas C y CA forman [[1,0],[0,1]], de rango dos. Ambas direcciones influyen en las observaciones temporales.

  3. Conclusión

    La realización es mínima y su transferencia reducida 2/[(s+1)(s+3)] conserva los dos modos.

Resultado

En este caso no hay un estado redundante que podamos quitar manteniendo G.

Lo comprobamos

Controlabilidad y observabilidad se estudiarán después como conceptos propios; aquí ambas pruebas pequeñas se pueden comprobar a mano.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Un sistema escalar

x′=−2x+u, y=3x. Halla G(s) con x(0)=0.

  1. Inicio cero

    x(0)=0 permite definir la transferencia sin término libre adicional.

  2. Transformar

    sX=−2X+U.
  3. Despejar estado

    X=U/(s+2).
  4. Leer salida

    Y=3X, por tanto Y=3U/(s+2).
  5. Transferencia

    G=3/(s+2).
  6. Comprobar en tiempo

    y′=3x′=−2y+3u; con y(0)=0 da la misma relación transformada.
Resultado

G(s)=3/(s+2).

Lo comprobamos

Derivar y=3x da y′=3x′=−2y+3u. Su transformada con y(0)=0 produce (s+2)Y=3U.

EJEMPLO RESUELTO 2

De segundo orden a estado

y″+3y′+2y=u. Usa x₁=y y x₂=y′.

  1. Elegir estados

    x₁=y y x₂=y′.
  2. Primera fila

    x₁′=x₂.
  3. Despejar aceleración

    y″=−2y−3y′+u, así x₂′=−2x₁−3x₂+u.
  4. Dinámica

    A=[[0,1],[−2,−3]], B=(0,1)ᵀ.
  5. Salida

    y=x₁, así C=(1,0), D=0.
  6. Verificar

    Con inicio cero, (s²+3s+2)Y=U.

    La transferencia 1/(s²+3s+2) concuerda con la ecuación y sus dos estados.

Resultado

A=[[0,1],[−2,−3]], B=(0,1)ᵀ, C=(1,0), D=0.

Lo comprobamos

Con estado inicial nulo, la ecuación original y el modelo producen G(s)=1/(s²+3s+2). El grado dos concuerda con los dos estados.

Los símbolos que hemos usado

x(t)
Vector de estado; reúne las variables internas necesarias para predecir la evolución.
u(t), y(t)
Vectores de entrada y salida en el instante real t.
A, B, C, D
Matrices que describen evolución interna, acción de la entrada, medición del estado y paso directo.
s
Variable compleja de la transformada de Laplace, con dimensión de inverso de tiempo.
I
Matriz identidad del tamaño del estado.
G(s)
Función o matriz de transferencia de entrada a salida con estado inicial nulo.
X(s), U(s), Y(s)
Transformadas de Laplace del estado, la entrada y la salida.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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