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Modelado matematico de circuitos electricos lineales




Enviado por Pablo Turmero



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    Circuitos Eléctricos I Esta presentación introduce
    el tema del modelado matemático de circuitos
    eléctricos lineales. Modelando un circuito
    eléctrico se obtiene un sistema implícito de
    ecuaciones diferenciales y algebraicas (EDAs) que se convierten
    en un sistema explícito de ecuaciones diferenciales y
    algebraicas en el proceso de la ordenación horizontal y
    vertical de las ecuaciones. Eliminando las variables algebraicas,
    estas EDAs pueden convertirse a un sistema de ecuaciones
    diferenciales ordinarias (EDOs).

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    Contenido Elementos y sus modelos La topología de los
    circuitos y sus ecuaciones Un ejemplo Ordenación
    horizontal Ordenación vertical Representación en el
    espacio de estados Transformación al espacio de
    estados

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    Elementos de Circuitos Lineales Resistores Capacidades
    Inductancias (Gp:) R (Gp:) i (Gp:) v (Gp:) a (Gp:) v (Gp:) b
    (Gp:) u (Gp:) C (Gp:) i (Gp:) v (Gp:) a (Gp:) v (Gp:) b (Gp:) u
    (Gp:) L (Gp:) i (Gp:) v (Gp:) a (Gp:) v (Gp:) b (Gp:) u (Gp:) u =
    va – vb (Gp:) u = R·i (Gp:) u = va – vb (Gp:)
    i = C· (Gp:) du (Gp:) dt (Gp:) u = va – vb (Gp:) u =
    L· (Gp:) di (Gp:) dt

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    Elementos de Circuitos Lineales II Fuentes de voltaje Fuentes de
    corriente Tierra (Gp:) U0 = vb – va (Gp:) U0 = f(t) (Gp:) I
    (Gp:) 0 (Gp:) I (Gp:) v (Gp:) a (Gp:) v (Gp:) b (Gp:) u (Gp:) 0
    (Gp:) u = vb – va (Gp:) I0 = f(t) (Gp:) V (Gp:) 0 (Gp:) V
    (Gp:) 0 (Gp:) V (Gp:) 0 – V0 = 0 (Gp:) U (Gp:) 0 (Gp:) i (Gp:) v
    (Gp:) a (Gp:) v (Gp:) b (Gp:) U (Gp:) 0 (Gp:) | (Gp:) +

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    La Topología de los Circuitos Nodos Mallas (Gp:) va = vb =
    vc (Gp:) ia + ib + ic = 0 (Gp:) v (Gp:) a (Gp:) v (Gp:) b (Gp:) i
    (Gp:) a (Gp:) i (Gp:) b (Gp:) i (Gp:) c (Gp:) v (Gp:) c (Gp:) v
    (Gp:) a (Gp:) v (Gp:) b (Gp:) v (Gp:) c (Gp:) u (Gp:) ab (Gp:) u
    (Gp:) bc (Gp:) u (Gp:) ca uab + ubc + uca = 0

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    Un Ejemplo I

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    Reglas para Sistemas de Ecuaciones I Las ecuaciones de los
    elementos y de la topología contienen redundancia. Por
    ejemplo es posible eliminar todas las variables de potencial (vi)
    sin problemas. La ecuación de corrientes para el nodo de
    la tierra es redundante y no se usa. Las ecuaciones de las mallas
    solamente se usan si las variables de potencial se eliminan. Si
    no es el caso, estas ecuaciones son redundantes.

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    Reglas para Sistemas de Ecuaciones II Si las variables de
    potencial se eliminan, cada elemento del circuito define dos
    variables: la corriente (i) a través del elemento y el
    voltaje (u) a través del mismo. Por consecuencia se
    necesitan dos ecuaciones para obtener los valores de estas dos
    variables. Una de las ecuaciones es la ley principal del elemento
    mismo, la otra se deriva de la topología.

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    Un Ejemplo II Ecuaciones principales de los elementos: U0 = f(t)
    iC = C· duC/dt u1 = R1· i1 uL = L· diL/dt u2
    = R2· i2 Ecuaciones de los nodos: i0 = i1 + iL i1 = i2 +
    iC Ecuaciones de las mallas: U0 = u1 + uC uL = u1 + u2 uC = u2 El
    circuito contiene 5 elementos ? Se piden 10 ecuaciones en 10
    incógnitas

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    Reglas para la Ordenación Horizontal I La variable
    representando el tiempo t puede tratarse como conocida. Las
    variables de estado (variables que aparecen en forma
    diferenciada) pueden tratarse como conocidas. (Gp:) U0 = f(t) u1
    = R1· i1 u2 = R2· i2 iC = C· duC/dt uL =
    L· diL/dt (Gp:) i0 = i1 + iL i1 = i2 + iC U0 = u1 + uC uC
    = u2 uL = u1 + u2 (Gp:) U0 = f(t) u1 = R1· i1 u2 =
    R2· i2 iC = C· duC/dt uL = L· diL/dt (Gp:)
    i0 = i1 + iL i1 = i2 + iC U0 = u1 + uC uC = u2 uL = u1 + u2
    ?

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    Reglas para la Ordenación Horizontal II Ecuaciones que
    contienen una sola incógnita deben evaluarse por ella. Las
    variables ya evaluadas pueden tratarse como conocidas. (Gp:) U0 =
    f(t) u1 = R1· i1 u2 = R2· i2 iC = C· duC/dt
    uL = L· diL/dt (Gp:) i0 = i1 + iL i1 = i2 + iC U0 = u1 +
    uC uC = u2 uL = u1 + u2 ? (Gp:) U0 = f(t) u1 = R1· i1 u2 =
    R2· i2 iC = C· duC/dt uL = L· diL/dt (Gp:)
    i0 = i1 + iL i1 = i2 + iC U0 = u1 + uC uC = u2 uL = u1 + u2

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    Reglas para la Ordenación Horizontal III Variables que
    aparecen en una sola ecuación todavía no causal
    deben evaluarse usando esa ecuación. (Gp:) U0 = f(t) u1 =
    R1· i1 u2 = R2· i2 iC = C· duC/dt uL =
    L· diL/dt (Gp:) i0 = i1 + iL i1 = i2 + iC U0 = u1 + uC uC
    = u2 uL = u1 + u2 ? (Gp:) U0 = f(t) u1 = R1· i1 u2 =
    R2· i2 iC = C· duC/dt uL = L· diL/dt (Gp:)
    i0 = i1 + iL i1 = i2 + iC U0 = u1 + uC uC = u2 uL = u1 + u2

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    Reglas para la Ordenación Horizontal IV Todas esas reglas
    pueden aplicarse múltiples veces. (Gp:) U0 = f(t) u1 =
    R1· i1 u2 = R2· i2 iC = C· duC/dt uL =
    L· diL/dt (Gp:) i0 = i1 + iL i1 = i2 + iC U0 = u1 + uC uC
    = u2 uL = u1 + u2 ? (Gp:) U0 = f(t) u1 = R1· i1 u2 =
    R2· i2 iC = C· duC/dt uL = L· diL/dt (Gp:)
    i0 = i1 + iL i1 = i2 + iC U0 = u1 + uC uC = u2 uL = u1 + u2

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    (Gp:) U0 = f(t) u1 = R1· i1 u2 = R2· i2 iC =
    C· duC/dt uL = L· diL/dt (Gp:) i0 = i1 + iL i1 = i2
    + iC U0 = u1 + uC uC = u2 uL = u1 + u2 ? (Gp:) U0 = f(t) u1 =
    R1· i1 u2 = R2· i2 iC = C· duC/dt uL =
    L· diL/dt (Gp:) i0 = i1 + iL i1 = i2 + iC U0 = u1 + uC uC
    = u2 uL = u1 + u2 (Gp:) U0 = f(t) u1 = R1· i1 u2 =
    R2· i2 iC = C· duC/dt uL = L· diL/dt (Gp:)
    i0 = i1 + iL i1 = i2 + iC U0 = u1 + uC uC = u2 uL = u1 + u2 ? El
    algoritmo se aplica hasta que cada ecuación define
    exactamente una sola variable que se evalúa por
    ella.

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    Reglas para la Ordenación Horizontal V La
    ordenación horizontal puede ser ejecutada ahora usando
    técnicas simbólicas de la manipulación de
    formulas. (Gp:) U0 = f(t) u1 = R1· i1 u2 = R2· i2
    iC = C· duC/dt uL = L· diL/dt (Gp:) i0 = i1 + iL i1
    = i2 + iC U0 = u1 + uC uC = u2 uL = u1 + u2 ? (Gp:) U0 = f(t) i1
    = u1 /R1 i2 = u2 /R2 duC/dt = iC /C diL/dt = uL /L (Gp:) i0 = i1
    + iL iC = i1 – i2 u1 = U0 – uC u2 = uC uL = u1 + u2

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    Reglas para la Ordenación Vertical Entre tanto las
    ecuaciones se convirtieron en asignaciones. Pueden ser ordenadas
    verticalmente de tal manera que ninguna de las variables se use
    antes de que esté definida. (Gp:) U0 = f(t) i1 = u1 /R1 i2
    = u2 /R2 duC/dt = iC /C diL/dt = uL /L (Gp:) i0 = i1 + iL iC = i1
    – i2 u1 = U0 – uC u2 = uC uL = u1 + u2 ? (Gp:) U0 = f(t) u1 = U0
    – uC i1 = u1 /R1 i0 = i1 + iL u2 = uC (Gp:) i2 = u2 /R2 iC = i1 –
    i2 uL = u1 + u2 duC/dt = iC /C diL/dt = uL /L

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    Reglas para Sistemas de Ecuaciones III Alternativamente es
    posible trabajar con voltajes y potenciales. En ese caso
    ecuaciones adicionales definiendo los potenciales de los nodos
    deben encontrarse. Se trata de las ecuaciones que relacionan los
    voltajes a través de elementos con los potenciales en sus
    terminales. Aquellas no se usaron hasta ahora. Las ecuaciones de
    las mallas son redundantes y deben eliminarse.

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    Un Ejemplo III El circuito contiene 5 elementos y además 3
    nodos. ? Se piden 13 ecuaciones en 13 incógnitas.
    Ecuaciones principales de los elementos: U0 = f(t) U0 = v1
    – v0 u1 = R1· i1 u1 = v1 – v2 u2 = R2·
    i2 u2 = v2 – v0 iC = C· duC/dt uC = v2 – v0 uL
    = L· diL/dt uL = v1 – v0 v0 = 0 Ecuaciones de los
    nodos: i0 = i1 + iL i1 = i2 + iC v1 v2 v0

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    Ordenación El algoritmo de la ordenación de
    ecuaciones puede aplicarse exactamente como antes. El algoritmo
    de la ordenación ya se había reducido a una
    estructura puramente matemática (de información)
    que no mantiene ningún conocimiento de la teoría de
    circuitos eléctricos. Por consecuencia la tarea del
    modelado puede reducirse a dos problemas parciales:
    Transformación de la topología del sistema
    físico a un sistema implícito de DAEs.
    Conversión del sistema DAE a una estructura de
    programación ejecutable.

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    Representación en el Espacio de Estados Sistemas lineales:
    Sistemas no lineales: (Gp:) dx (Gp:) dt (Gp:) = A · x + B
    · u (Gp:) y = C · x + D · u x(t0) = x0 ;
    (Gp:) dx (Gp:) dt (Gp:) = f(x,u,t) (Gp:) y = g(x,u,t) ; x(t0) =
    x0 x ???n u ???m y ???p x = Vector de variables de estado u =
    Vector de variables de entrada y = Vector de variables de salida
    n = Número de variables de estado m = Número de
    entradas p = Número de salidas A ???n ? n B ???n ? m C
    ???p ? n D ???p ? m

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    Transformación al Espacio de Estados I (Gp:) U0 = f(t) u1
    = U0 – uC i1 = u1 /R1 i0 = i1 + iL u2 = uC (Gp:) i2 = u2 /R2 iC =
    i1 – i2 uL = u1 + u2 duC/dt = iC /C diL/dt = uL /L duC/dt = iC /C
    = (i1 – i2 ) /C = i1 /C – i2 /C = u1 /(R1 · C) – u2
    /(R2 · C) = (U0 – uC) /(R1 · C) – uC /(R2
    · C) diL/dt = uL /L = (u1 + u2) /L = u1 /L + u2 /L = (U0 –
    uC) /L + uC /L = U0 /L ? Para cada ecuación que define una
    derivada se substituyen las variables de la derecha por las
    ecuaciones que definen ellas hasta que las derivadas dependan
    solamente de variables de estado y de entradas.

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    Transformación al Espacio de Estados II x1 = uC x2 = iL u
    = U0 y = uC Definiendo: ? x1 = – . R1 · C 1 R2 · C
    1 + [ ] x1 R1 · C 1 . . u + x2 = . 1 L . u y = x1

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    Un Ejemplo IV

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    Referencias Cellier, F.E. (1991), Continuous System Modeling,
    Springer-Verlag, New York, Chapter 3. Cellier, F.E. (2001),
    Código de Matlab del circuito eléctrico.

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