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Matemáticas para ingeniería

Respuesta en frecuencia y criterios de estabilidad

Una ganancia compleja dice dos cosas: cuánto cambia la amplitud de una onda y cuánto se desplaza su fase. Vamos a calcular ambas antes de dibujar Bode. Después cerraremos un lazo, veremos por qué aparece el punto −1 y comprobaremos cómo Nyquist relaciona un recorrido con polos que crecen o decaen.

1. Una senoidal conserva frecuencia en el régimen permanente de un LTI estable

Para u(t)=a cos(ωt+θ), a es amplitud y θ fase inicial.

Con coeficientes reales y una respuesta frecuencial existente, el régimen permanente es y_perm=a|G(iω)|cos(ωt+θ+arg G(iω)). La exponencial compleja exp(iωt) sale multiplicada por G(iω); tomar su parte real devuelve el coseno.

Si conectamos la entrada en cero, puede haber un transitorio adicional. Para observar el régimen permanente de esta forma exigimos que ese transitorio decaiga. Un polo sobre la frecuencia evaluada no permite sustituir y obtener una ganancia finita sin más; la resonancia del oscilador es un ejemplo de por qué importan las hipótesis.

Pasar de la transferencia a una onda concreta

G=2/(s+1), entrada u=3cos(t+π/6).

  1. Frecuencia

    ω=1 y G(i)=2/(1+i)=1−i, de módulo √2 y fase −π/4.
  2. Amplitud

    La amplitud permanente es 3√2.

  3. Fase

    π/6−π/4=−π/12.

    La salida permanente es 3√2cos(t−π/12); mantiene la frecuencia uno.

Resultado

El sistema cambió tamaño y fase, no la frecuencia del seno de entrada.

Lo comprobamos

La fase del sistema se suma a la fase que la entrada ya tenía.

La curva completa necesita respetar el instante de conexión

Mismo G y entrada conectada en t=0, con salida inicial cero.

  1. Ecuación

    y′+y=6cos(t+π/6).

    La parte permanente anterior vale 3(√3+1)/2 en cero.

  2. Añadir el transitorio

    y(t)=3√2cos(t−π/12)−[3(√3+1)/2]exp(−t).
    Así y(0)=0.
  3. Comprobar

    El término exponencial satisface la homogénea y desaparece. La pendiente inicial es 3√3, igual a la que exige la ecuación con y(0)=0.

Resultado

La fórmula de régimen permanente sola no tenía por qué cumplir el dato inicial.

Lo comprobamos

Al avanzar el tiempo, la diferencia entre curva completa y permanente tiende a cero.

2. Módulo y fase se leen como longitud y ángulo con cuadrante

Para z=a+ib, Re z=a e Im z=b son números reales.

El término imaginario completo es ib. El módulo es √(a²+b²) y, si z≠0, la fase es su ángulo, definido módulo 2π. atan2(b, a) conserva el cuadrante; arctan(b/a) por sí sola puede perder media vuelta.

La ganancia compleja tiene tamaño y dirección
G(i)=2/(1+i)=1−iRe=1Im=−1Módulo: √(1²+1²)=√2Fase: −π/4=−45°La fase conserva el cuadrante.
Para G(s)=2/(s+1), en frecuencia angular uno resulta G(i)=1−i. El vector va a la derecha y hacia abajo: su módulo es raíz de dos y su fase menos cuarenta y cinco grados. Im es el número real menos uno; el término imaginario completo es menos i.

En productos se multiplican módulos y se suman fases; en cocientes se dividen módulos y se restan fases. Si el módulo es cero, no hay dirección y su fase no está definida. Desenrollar la fase elige representantes continuos de ángulos cuando es posible; un salto de etiqueta entre −180° y 180° no tiene por qué ser un salto de la respuesta física.

Racionalizar muestra directamente las dos componentes

G(i)=2/(1+i).

  1. Conjugado

    Multiplicamos arriba y abajo por 1−i: 2(1−i)/[(1+i)(1−i)].

  2. Simplificar

    El denominador vale dos y queda 1−i.

    Re=1 e Im=−1.
  3. Geometría

    El vector está en el cuarto cuadrante: módulo √2 y fase −45°, no +45°.

Resultado

Conservar el signo de la parte imaginaria fija el retraso de fase.

Lo comprobamos

El módulo es positivo; no toma el signo negativo de la fase.

Un cociente de componentes puede dar un ángulo del cuadrante equivocado

z=−1+i√3.

  1. Módulo

    |z|=√(1+3)=2.
  2. Ángulo

    El vector apunta al segundo cuadrante: su fase principal es 120°. arctan(−√3)=−60° perdería una diferencia de 180°.

  3. Excepción cero

    Si una transferencia se anula en una frecuencia, como (s²+1)/(s+1)² en ω=1, el resultado es cero y su fase no se define allí.

Resultado

Primero localizamos el vector; después elegimos el ángulo compatible.

Lo comprobamos

Una amplitud nula implica salida permanente nula en esa frecuencia, no una fase cero obligatoria.

3. Bode convierte productos en sumas usando una razón de amplitudes

La magnitud en dB es 20log₁₀|G(iω)| para una razón de amplitudes positiva y adimensional, o normalizada con referencia declarada. Una razón de potencia usa 10log₁₀. Ambas coinciden si la relación de potencias es el cuadrado de la razón de amplitudes bajo las condiciones físicas correspondientes.

El eje de frecuencia de Bode es logarítmico: una década multiplica la frecuencia por diez. Productos de módulos se convierten en sumas de dB. Un valor negativo en dB indica atenuación de amplitud, no una amplitud negativa. El módulo cero se representa con tendencia a menos infinito, no un dB finito.

Comparar una duplicación y una atenuación

Razones de amplitudes dos y un décimo.

  1. Duplicar

    20log₁₀2≈6,021 dB.
  2. Reducir

    20log₁₀(1/10)=−20 dB.

    La amplitud sigue siendo positiva y vale una décima de la referencia.

  3. Potencia

    Si se cumplen las condiciones de proporcionalidad, duplicar amplitud multiplica potencia por cuatro y 10log₁₀4 da el mismo 6,021 dB.

Resultado

El factor veinte se refiere a la razón de amplitudes.

Lo comprobamos

No se usa 20log de una cantidad con unidades sin indicar qué referencia la hace una razón.

Una cascada suma dB y fases

Un bloque tiene módulo dos y fase 30°; otro, módulo 1/2 y fase −70°, en la misma frecuencia.

  1. Amplitud

    El producto de módulos es uno.

  2. Decibelios

    20log₁₀2+20log₁₀(1/2)=0 dB.
  3. Fase

    30°−70°=−40°.

    La ganancia total tiene módulo uno, pero no tiene por qué dejar intacta la onda temporal.

Resultado

Cero dB no significa fase cero.

Lo comprobamos

La fase se ha sumado en la misma frecuencia y con una convención coherente.

4. Un quiebre de primer orden es una transición suave

Para 1/(1+s/ω_b), con ω_b>0, el módulo es 1/√(1+(ω/ω_b)²) y la fase −arctan(ω/ω_b), para ω≥0. En ω_b el módulo es 1/√2, unos −3,01 dB, y la fase −45°. Las rectas de Bode son aproximaciones asintóticas, no la curva exacta junto al quiebre.

El quiebre es una transición, no una esquina de la curva exacta
Un polo: exacto y aproximadoMagnitud en dB0−20−400,010,1110100Fase en grados0−45−900,010,1110100Eje horizontal: ω/ω_bEn 1: −3,01 dB y −45°
Se muestra 1/(1+s/ω_b) frente a la razón logarítmica ω/ω_b. Azul es la magnitud exacta; rojo discontinuo sus asíntotas de cero y menos veinte decibelios por década. La fase exacta se dibuja en verde. En el quiebre, el módulo es 1/√2 y la fase menos cuarenta y cinco grados.

Muy por encima de ω_b, la magnitud se aproxima a ω_b/ω, con pendiente −20 dB por década y fase tendiendo a −90°. Polos y ceros añaden contribuciones. Un cero de semiplano derecho puede conservar el mismo módulo que otro estable y cambiar su fase: el módulo solo no cuenta toda la estructura.

Separar valor exacto y aproximación

G=1/(1+s/2); comparar ω=2 y ω=20.

  1. En el quiebre

    ω/ω_b=1: módulo 1/√2 y fase −45°.

    La asíntota de magnitud marcaría cero dB, unos tres dB por encima de la curva exacta.

  2. Diez veces más arriba

    El módulo exacto es 1/√101 y la magnitud −10log₁₀101≈−20,043 dB.
  3. Aproximación

    La asíntota da −20 dB y la fase exacta es −arctan10≈−84,289°, acercándose a −90° sin ser todavía igual.

Resultado

La aproximación mejora lejos de la transición.

Lo comprobamos

Una década compara ω=2 con veinte; no significa sumar diez a la frecuencia.

Igual módulo puede esconder un desfase diferente

Comparar H₁=1 con H₂=(1−s)/(1+s).

  1. Módulo

    En s=iω, |1−iω|=|1+iω|, así ambas tienen módulo uno para todo ω real.

  2. Fase

    H₂ tiene fase −2arctanω para ω≥0; en ω=1 es −90°.

    H₁ tiene fase cero.

  3. Estructura

    H₂ es causal propia con polo estable −1 y cero derecho +1. Las dos salidas a un coseno pueden tener igual amplitud y distinto momento de máximo.

Resultado

Una curva de magnitud no permite recuperar siempre la fase sin hipótesis adicionales.

Lo comprobamos

El cero derecho no es un polo inestable; afecta de otra manera a la respuesta.

5. La realimentación negativa crea la ecuación 1+L=0

Con lazo unitario negativo, Y=L(R−Y).
Agrupar da (1+L)Y=LR, así T=Y/R=L/(1+L).

El punto −1 es crítico porque anula 1+L. La condición depende de fase y módulo, no solo de si una curva de magnitud parece baja.

La interconexión debe estar bien definida; si hay términos directos, el lazo algebraico no puede requerir dividir por cero. Para estabilidad interna se conservan señales internas y modos de planta y controlador. Una cancelación inestable al simplificar T no elimina automáticamente el modo físico.

Cerrar un lazo de ganancia positiva

L=2/(s+1).

  1. Característica

    1+2/(s+1)=(s+3)/(s+1).
  2. Transferencia

    T=2/(s+3), con polo cerrado −3.
  3. Equilibrio

    T(0)=2/3: el lazo estable no sigue un escalón unitario con ganancia exactamente uno en esta configuración.

Resultado

El signo negativo de la realimentación produjo el denominador 1+L.

Lo comprobamos

Se comprueban signo y ganancia de la configuración realmente planteada.

Un signo de ganancia cambia la conclusión

Ahora L=−2/(s+1), manteniendo la misma resta de salida.

  1. Característica

    1−2/(s+1)=(s−1)/(s+1).
  2. Transferencia

    T=−2/(s−1), con polo +1.
  3. Interpretación

    El lazo no es estable. Los módulos de las dos L en cada frecuencia eran iguales, pero la ganancia negativa añadió media vuelta de fase.

Resultado

El módulo por sí solo no distingue estos dos lazos.

Lo comprobamos

No se cambia la convención de realimentación para ocultar el signo de la planta.

6. Nyquist cuenta el recorrido completo con una convención de signos explícita

Recorremos el contorno del semiplano derecho en sentido horario: subimos por el eje imaginario desde −i∞ a +i∞ y cerramos por el gran semicírculo derecho. En el caso sin polos ni ceros sobre ese contorno, P cuenta polos abiertos de L en el interior y Z ceros de 1+L allí, con multiplicidad.

El número de polos abiertos decide qué rodeo exige estabilidad
Rodear −1 puede ser necesarioL=2/(s+1)−10P=0, N=0, Z=0L=2/(s−1)−10P=1, N=1, Z=0N: antihorario positivo; N=P−Z.
Curvas completas de L(iω) al subir ω desde menos infinito hasta más infinito, con cierre por el contorno horario del semiplano derecho. Arriba, L=2/(s+1) no rodea menos uno y tiene P=0; el polo cerrado es menos tres. Abajo, L=2/(s−1) rodea menos uno una vez en sentido antihorario, compensando P=1; el polo cerrado es menos uno. En ambos casos Z=0. El punto cero de cada curva es su límite de alta frecuencia.

Definimos N como rodeos antihorarios de −1 menos rodeos horarios de la imagen completa.

El principio del argumento da N=P−Z.
Para Z=0 exigimos N=P.

La frase no rodear −1 solo sirve en el caso P=0; la rama de frecuencias positivas sola no es toda la curva de Nyquist.

Sin polos abiertos derechos, ningún rodeo es lo correcto

L=2/(s+1).

  1. Polos abiertos

    P=0.
  2. Imagen

    L(iω) recorre el círculo de centro uno y radio uno.

    El punto −1 queda fuera, así N=0.
  3. Recuento

    Z=P−N=0.

    La ecuación s+3=0 confirma que el polo cerrado está a la izquierda.

Resultado

La geometría y la cuenta algebraica coinciden.

Lo comprobamos

El origen de esa curva es un límite de alta frecuencia, no un polo ni un cero finito de L.

Un polo abierto inestable requiere un rodeo compensador

L=2/(s−1).

  1. Polos abiertos

    P=1, por el polo +1.
  2. Imagen completa

    El círculo tiene centro −1 y radio uno. Con el contorno declarado se recorre una vez antihorariamente: N=1.

  3. Recuento

    Z=1−1=0.
    Directamente, 1+L=(s+1)/(s−1), así el polo cerrado es −1.
Resultado

En este caso rodear −1 era necesario para estabilizar, no una señal automática de fallo.

Lo comprobamos

No se aplica a P=1 la regla abreviada de P=0.

7. La frontera y los modos ocultos requieren su propio tratamiento

Si la imagen pasa por −1, hay un cero de 1+L sobre el contorno y no se obtiene estabilidad asintótica estricta con el criterio sin fronteras. Si L tiene polos sobre el eje imaginario, desviamos el contorno alrededor de ellos y conservamos la imagen de las pequeñas curvas.

No se atraviesa una singularidad uniendo puntos con una línea.

Además, el recuento de la ecuación característica correspondiente no inspecciona por sí solo cualquier realización no mínima o cancelación entre bloques. Para afirmar estabilidad interna de la interconexión se revisan las transferencias y estados internos relevantes, no únicamente T simplificada.

Tocar el punto crítico deja un modo en la frontera

L=−1/(s+1).

  1. Frecuencia cero

    L(0)=−1: la curva pasa por el punto crítico.
  2. Característica

    1+L=s/(s+1), cuyo cero está en s=0.
  3. Salida cerrada

    T=−1/s es un integrador con signo negativo.

    No hay estabilidad estricta ni BIBO: un escalón produce una rampa negativa.

Resultado

No se resuelve el caso dibujando el paso por −1 como si fuera un rodeo ordinario.

Lo comprobamos

Es la frontera de la condición k>−1 para L=k/(s+1).

Una singularidad abierta exige conservar el arco de desvío

L=1/s, con realimentación negativa unitaria.

  1. Polo sobre el eje

    L no está definida en s=0 y no cumple la hipótesis del contorno sin singularidades.

  2. Desvío

    Un arco derecho s=εexp(iθ), con θ de −π/2 a π/2, se transforma en (1/ε)exp(−iθ). Su radio crece al disminuir ε: no es una contribución despreciable.

  3. Contraste algebraico

    T=1/(s+1) sí es estable.

    Un análisis Nyquist correcto con el desvío debe concordar; ignorarlo no sería una prueba válida.

Resultado

Una curva pequeña en el plano s puede dar una curva grande en su imagen.

Lo comprobamos

El contorno y sus límites se declaran antes de aplicar un recuento.

8. Los márgenes se calculan en cruces pertinentes y con el recorrido global presente

En un cruce de módulo uno ω_gc, el margen de fase habitual es 180°+φ_L(ω_gc), usando fase desenrollada adecuada. En un cruce de fase −180° módulo 360°, el margen de ganancia es el factor 1/|L(iω_pc)|, o −20log₁₀|L| en dB. Una fase de cualquier otro punto no define ese margen.

Puede haber varios cruces y polos abiertos inestables. Un margen positivo tomado de una sola rama no prueba estabilidad global: se acompaña de Nyquist y sus hipótesis. Un margen infinito por ausencia de un cruce finito tampoco promete tolerancia a retardos o dinámicas no incluidas.

Calcular fase justo donde el módulo es uno

L=2/(s+1)².

  1. Cruce de módulo

    |L(iω)|=2/(1+ω²).
    Igualar a uno da ω_gc=1.
  2. Fase

    φ(1)=−2arctan1=−90°, así el margen de fase habitual es 90°.
  3. Verificar estabilidad

    El denominador cerrado es (s+1)²+2=s²+2s+3, con raíces −1±i√2.

    No hay cruce de fase −180° a frecuencia finita para este modelo.

Resultado

El margen usa la fase del cruce, no una fase escogida a conveniencia.

Lo comprobamos

El límite de fase a alta frecuencia no equivale a un cruce finito con módulo no nulo.

Un factor de ganancia puede llevar el lazo a la frontera

L=4/(s+1)³.

  1. Cruce de fase

    −3arctanω=−180° da ω_pc=√3.
  2. Módulo y margen

    |L(i√3)|=4/(1+3)³ᐟ²=1/2.
    El factor de margen es dos, equivalente a 20log₁₀2≈6,021 dB.
  3. Comprobar el límite

    Al duplicar la ganancia, (s+1)³+8=(s+3)(s²+3), con polos ±i√3 en la frontera.

    Para ganancia cuatro, las raíces tienen partes reales negativas.

Resultado

La frontera de ganancia coincide con el punto −1 en la frecuencia calculada.

Lo comprobamos

Duplicar llega al límite; no conserva estabilidad asintótica estricta en ese límite.

9. Sensibilidad mide la distancia al punto crítico y debe concordar con la ecuación

En el lazo unitario, S=1/(1+L) y T=L/(1+L), por tanto S+T=1.

Si |1+L(iω)| es pequeño, |S| es grande: la cercanía al punto crítico puede amplificar algunas perturbaciones aunque el lazo sea estable. Cada interpretación de entrada–salida conserva qué señal entra por qué punto del diagrama.

Un chequeo algebraico sencillo es resolver los ceros de 1+L y compararlos con el recuento. Para L=k/(s+1), el polo cerrado es −(1+k), así la estabilidad estricta requiere k>−1. Una discrepancia entre esa ecuación y el dibujo obliga a revisar signos, dirección, fronteras y posibles modos ocultos.

Reunir sensibilidad, seguimiento y polo en un lazo sencillo

L=2/(s+1).

  1. Dos funciones

    S=(s+1)/(s+3) y T=2/(s+3).

    Al sumarlas se obtiene uno.

  2. Frecuencia cero

    S(0)=1/3 y T(0)=2/3.
  3. Alta frecuencia y polo

    S tiende a uno y T a cero. La característica s+3 sigue dando el polo estable −3, coherente con Nyquist.

Resultado

Reducir un efecto en unas frecuencias no borra todas las limitaciones del lazo.

Lo comprobamos

S+T=1 es una identidad compleja, no una igualdad general |S|+|T|=1.

Un punto cercano a −1 muestra amplificación, pero no cuenta todo el lazo

En una frecuencia se conoce L=−0,9+0,1i.

  1. Distancia

    1+L=0,1+0,1i, con módulo √0,02.
  2. Sensibilidad

    |S|=1/√0,02=5√2≈7,071.
  3. Alcance

    Ese punto indica amplificación de la sensibilidad en esa frecuencia. No permite concluir estabilidad o inestabilidad global sin el recorrido y los polos abiertos.

Resultado

Una evaluación local y un criterio global responden a preguntas distintas.

Lo comprobamos

La fase y el resto de frecuencias siguen siendo necesarios para el recuento completo.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Un filtro de primer orden

G(s)=1/(s+1). Calcula módulo y fase en ω=1.

  1. Evaluar

    G(i)=1/(1+i).
  2. Racionalizar

    Multiplicamos por (1−i)/(1−i), obteniendo (1−i)/2.

  3. Componentes

    Re=1/2 e Im=−1/2.
  4. Módulo

    √[(1/2)²+(−1/2)²]=1/√2.
  5. Fase

    Está en el cuarto cuadrante con componentes de igual magnitud: −45°.

  6. Condición temporal

    El polo −1 hace decaer el transitorio, permitiendo interpretar esa ganancia como régimen permanente.

Resultado

Módulo 1/√2; fase −45°.

Lo comprobamos

√((1/2)²+(−1/2)²)=1/√2. Además el polo −1 garantiza que el transitorio visible decaiga.

EJEMPLO RESUELTO 2

Ganancia en decibelios

Una transferencia tiene módulo 10. Expresa su ganancia de amplitud en dB.

  1. Tipo de razón

    El dato diez es una razón de amplitudes.

  2. Fórmula

    La magnitud es 20log₁₀10.

  3. Logaritmo

    log₁₀10=1.
  4. Calcular

    20·1=20 dB.
  5. Interpretar

    La amplitud se multiplica por diez, no por veinte.

  6. Control de potencia

    Cuando potencia es proporcional al cuadrado de amplitud con las mismas referencias, la razón de potencia es cien y 10log₁₀100=20 dB.

Resultado

20 dB.

Lo comprobamos

Si la amplitud se multiplica por diez y la potencia es proporcional a su cuadrado, la potencia se multiplica por cien: 10log₁₀(100)=20 dB.

Los símbolos que hemos usado

G(s)
Transferencia del sistema; s es la variable compleja de Laplace.
i, ω
Unidad imaginaria, con i²=−1, y frecuencia angular en radianes por segundo.
|G(iω)|, φ(ω)
Módulo y argumento o fase de la ganancia compleja.
L(s)
Transferencia de lazo abierto utilizada al cerrar realimentación negativa.
dB
Decibelios; para una razón adimensional de amplitudes se usa 20 log₁₀ de la razón.
P, Z, N
Recuento de polos abiertos inestables, ceros inestables de 1+L y rodeos firmados de −1 según la convención declarada.
ω_gc, ω_pc
Frecuencias de cruce de módulo unidad y de fase −180°, cuando existen.

Ahora te toca a ti.

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

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