Engenharia de Controle 1: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 12 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes

Estabilidade
todas as raízes do polinômio característico no semiplano esquerdo
tabela de Routh, elemento de s¹ de um polinômio cúbico
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Raízes no semiplano direito
número de trocas de sinal na primeira coluna
Cúbico s³ + a₂s² + a₁s + a₀
estável quando todos os a > 0 e a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Equação característica
1 + K·G(s) = 0
Assíntotas
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Pontos de saída e de chegada
dK/ds = 0
Condição de módulo
K = 1/|G(s)|
Ângulo de partida
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

Método

  1. Escreva o polinômio característico de malha fechada: o denominador de 1 + K·G(s) = 0, desenvolvido.
  2. Coloque os coeficientes alternadamente nas duas primeiras linhas da tabela de Routh e construa as demais linhas.
  3. Conte as trocas de sinal na primeira coluna: cada uma é um polo no semiplano direito. Com K na tabela, exija que todos os elementos da primeira coluna permaneçam positivos.
  4. Para um lugar das raízes, marque os polos e zeros, os segmentos do eixo real, as assíntotas a partir do centroide e os pontos de ruptura onde dK/ds = 0. Use K = 1/|G(s)| para o ganho em um ponto.

Erro em regime permanente e controle PID

Tipo do sistema
número de polos de G(s) em s = 0
Constantes de erro
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Degrau A
ess = A/(1 + Kp)
Rampa A·t
ess = A/Kv
Parábola A·t²/2
ess = A/Ka
Controlador PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Alvo de segunda ordem
s² + 2ζωns + ωn²
Sobressinal e tempos
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Método

  1. Conte os polos da malha aberta C(s)·G(s) em s = 0: esse é o tipo do sistema.
  2. Calcule a constante de erro que corresponde à entrada: Kp para um degrau, Kv para uma rampa, Ka para uma parábola.
  3. Aplique ess = A/(1 + Kp), A/Kv ou A/Ka, ou resolva-a para o ganho de que você precisa.
  4. Para uma especificação de amortecimento ou velocidade, escreva o polinômio característico de malha fechada e compare-o com s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Exercícios

1.Transformadas de LaplaceMédia
ReIm−5−10−15−20−255

Encontre f(t) para F(s) = (s + 23)/(s² + 4s + 40) completando o quadrado e calcule f(0,25).

F(s) = (s + 23)/(s² + 4s + 40)t = 0,25 s
f(0.25) =
2.Transformadas de LaplaceDifícil
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−4−4,50,51

Um sistema é descrito pela equação diferencial y″ + 5y′ + 4y = u′ + 2u, com entrada u(t) e saída y(t). Encontre sua função de transferência G(s) = Y(s)/U(s) (condições iniciais nulas) e calcule a resposta ao impulso g(t) em t = 0,2 s. Encontre g(0,2).

y″ + 5y′ + 4y = u′ + 2ut = 0,2 s
g(0.2) =
3.Diagramas de blocosMédia
R(s)+Ks(s + 14)G(s)C(s)−

A planta G(s) = K/(s(s + 14)) está em uma malha de realimentação negativa unitária. Encontre o ganho K para o qual a malha fechada é criticamente amortecida (dois polos reais iguais).

G(s) = K/(s(s + 14))realimentação negativa unitária
K =
4.Diagramas de blocosDifícil
R(s)+2controlador+D(s)+4s + 4plantaC(s)−

Um controlador proporcional K = 2 comanda a planta G(s) = 4/(s + 4) em uma malha de realimentação negativa unitária. Uma perturbação D entra na entrada da planta (é somada à saída do controlador). Com R = 0, é aplicado um degrau de perturbação de tamanho 0,5. Encontre a saída em regime permanente css.

K = 2G(s) = 4/(s + 4)D = 0,5R = 0
css =
5.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)1tp​ = ?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 79/(s² + 3s + 79) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o tempo de pico tp da resposta ao degrau.

G(s) = 79/(s² + 3s + 79)
tp = s
6.Resposta ao degrauDifícil
t (s)y(t)140 %

Um sistema de segunda ordem sem zeros deve ter uma resposta ao degrau com 40 % de sobressinal. Encontre a razão de amortecimento ζ.

%OS = 40 %
ζ =
7.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízesMédia
R(s)+201s(s + 1)(s + 4)C(s)+

A malha do diagrama usa realimentação positiva, com L(s) = 20/(s(s + 1)(s + 4)). Quantos polos de malha fechada N estão no semiplano direito?

L(s) = 20/(s(s + 1)(s + 4))
N =
8.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízesDifícil
ReIm−2−4−6j2j4

Para L(s) = K/((s + 6)(s² + 2s + 17)), encontre o ângulo de partida θd do lugar das raízes a partir do polo complexo no semiplano superior, medido a partir do eixo real positivo.

L(s) = K/((s + 6)(s² + 2s + 17))
θd = °
9.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
R(s)+K(s + 1)(s + 2)C(s)−

Uma malha com realimentação unitária tem G(s) = K/((s + 1)(s + 2)). Encontre o ganho K que dá um erro em regime permanente de 5 % para uma entrada em degrau.

G(s) = K/((s + 1)(s + 2))ess = 5 %
K =
10.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
r(t) = 5t+1 + 0,5/s20(s + 1)(s + 10)C(s)−

Um controlador PI C(s) = 1 + 0,5/s controla a planta G(s) = 20/((s + 1)(s + 10)) em uma malha com realimentação unitária. Encontre o erro em regime permanente ess para a entrada em rampa r(t) = 5t.

C(s) = 1 + 0,5/sG(s) = 20/((s + 1)(s + 10))r(t) = 5t
ess =
11.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​L = 100 mHR = 100 Ωvout​

O Filtro passa-baixas RL mostrado tem R = 100 Ω, L = 100 mH. Aplica-se uma entrada senoidal de 640 Hz. Encontre o ganho |H| = |vout/vin| em dB.

R = 100 ΩL = 100 mHf = 640 Hz
|H| = dB
12.Diagramas de Bode e margensDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = 500/(s(s + 5)(s + 9)). Encontre a margem de ganho GM em dB.

L(s) = 500/(s(s + 5)(s + 9))
GM = dB

3Soluções

1.Transformadas de Laplace

Resposta: f(0.25) = 2,16

Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt transforma derivadas em multiplicações por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares usuais: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), e um deslocamento s → s + σ multiplica a função do tempo por e−σt. Para inverter uma F(s) racional, decomponha-a em frações parciais: o resíduo de um polo simples p é A = [(s − p)·F(s)] em s = p. Teorema do valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido apenas quando todos os polos de s·F(s) estão no semiplano esquerdo. Teorema do valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Complete o quadrado

s² + 4s + 40 = (s + 2)² + 36 = (s + 2)² + 6²

Associe o numerador

F(s) = 1·(s + 2)/((s + 2)² + 6²) + (21/6)·6/((s + 2)² + 6²)

Transformada inversa

f(t) = e−2t·(cos 6t + 3,5·sin 6t)
f(0,25) = e−2·0,25·(cos(6·0,25) + 3,5·sin(6·0,25)) = 2,16

Resposta

f(0,25) = 2,16
2.Transformadas de Laplace

Resposta: g(0.2) = 0,5725

Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt transforma derivadas em multiplicações por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares usuais: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), e um deslocamento s → s + σ multiplica a função do tempo por e−σt. Para inverter uma F(s) racional, decomponha-a em frações parciais: o resíduo de um polo simples p é A = [(s − p)·F(s)] em s = p. Teorema do valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido apenas quando todos os polos de s·F(s) estão no semiplano esquerdo. Teorema do valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Função de transferência

G(s) = Y(s)/U(s) = (s + 2)/(s² + 5s + 4)

Frações parciais

s² + 5s + 4 = (s + 1)(s + 4)
A = 0,3333, B = 0,6667

Resposta ao impulso

g(t) = 0,3333·e−t + 0,6667·e−4t
g(0,2) = 0,5725

Resposta

g(0,2) = 0,5725
3.Diagramas de blocos

Resposta: K = 49

Álgebra de diagramas de blocos: blocos em série se multiplicam (G₁·G₂), blocos em paralelo se somam (G₁ + G₂), e uma malha com caminho direto G e caminho de realimentação H se reduz a T = G/(1 + G·H) para realimentação negativa e G/(1 − G·H) para realimentação positiva. Reduza primeiro as malhas internas e depois avance para fora. Os polos de malha fechada são as raízes da equação característica 1 + G(s)H(s) = 0. Para uma malha estável, uma entrada em degrau de tamanho A dá a saída em regime permanente A·T(0); com realimentação unitária, o erro em regime permanente para um degrau é A/(1 + Kp) com Kp = G(0).

Equação característica

1 + K/(s(s + 14)) = 0 → s² + 14s + K = 0

Raiz repetida

Um polinômio s² + βs + γ tem uma raiz dupla quando β² = 4γ.

14² = 4K → K = 196/4 = 49

Resposta

K = 49
Os dois polos de malha fechada ficam então em s = −7.
4.Diagramas de blocos

Resposta: css = 0,1667

Álgebra de diagramas de blocos: blocos em série se multiplicam (G₁·G₂), blocos em paralelo se somam (G₁ + G₂), e uma malha com caminho direto G e caminho de realimentação H se reduz a T = G/(1 + G·H) para realimentação negativa e G/(1 − G·H) para realimentação positiva. Reduza primeiro as malhas internas e depois avance para fora. Os polos de malha fechada são as raízes da equação característica 1 + G(s)H(s) = 0. Para uma malha estável, uma entrada em degrau de tamanho A dá a saída em regime permanente A·T(0); com realimentação unitária, o erro em regime permanente para um degrau é A/(1 + Kp) com Kp = G(0).

Funções de transferência

C/D = G/(1 + K·G) = 4/(s + 4 + 8)

Regime permanente

css = 0,5·4/12 = 0,1667

Resposta

css = 0,1667

Um K maior reduz o efeito da perturbação, mas nunca a zero com um controlador proporcional.

5.Resposta ao degrau

Resposta: tp = 0,3586 s

Resposta ao degrau: um sistema de primeira ordem G(s) = K/(τs + 1) responde a um degrau de tamanho U com y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): ele atinge 63,2 % do valor final K·U após uma constante de tempo τ e 98 % após 4τ. Um sistema de segunda ordem G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tem os polos s = −ζωₙ ± jωd com ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 a resposta ao degrau tem sobressinal: sobressinal percentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tempo de pico tp = π/ωd e tempo de acomodação de 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compare o denominador com s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obter ωₙ e ζ. Para um sistema massa–mola–amortecedor, ωₙ = √(k/m) e ζ = c/(2√(km)); para um circuito RLC série, ωₙ = 1/√(LC) e ζ = (R/2)·√(C/L).

Compare com a forma padrão

O denominador deve coincidir com s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 79 → ωₙ = 8,888 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·8,888) = 0,1688

Resultado

ωd = 8,888·√(1 − 0,1688²) = 8,761 rad/s → tp = π/ωd = 0,3586 s

Resposta

tp = 0,3586 s
6.Resposta ao degrau

Resposta: ζ = 0,28

Resposta ao degrau: um sistema de primeira ordem G(s) = K/(τs + 1) responde a um degrau de tamanho U com y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): ele atinge 63,2 % do valor final K·U após uma constante de tempo τ e 98 % após 4τ. Um sistema de segunda ordem G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tem os polos s = −ζωₙ ± jωd com ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 a resposta ao degrau tem sobressinal: sobressinal percentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tempo de pico tp = π/ωd e tempo de acomodação de 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compare o denominador com s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obter ωₙ e ζ. Para um sistema massa–mola–amortecedor, ωₙ = √(k/m) e ζ = c/(2√(km)); para um circuito RLC série, ωₙ = 1/√(LC) e ζ = (R/2)·√(C/L).

Fator de amortecimento

ζ = −ln(0,4)/√(π² + ln²(0,4)) = 0,9163/√(9,87 + 0,8396) = 0,28

Resposta

ζ = 0,28
7.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes

Resposta: N = 1

Critério de Routh–Hurwitz: um sistema linear é estável quando todas as raízes do seu polinômio característico estão no semiplano esquerdo do plano s. Escreva os coeficientes alternadamente nas duas primeiras linhas da tabela de Routh. Cada elemento de uma nova linha vem das duas linhas acima; para um polinômio cúbico a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ o elemento de s¹ é b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. O número de trocas de sinal na primeira coluna é igual ao número de raízes no semiplano direito. Com um ganho K nos coeficientes, todos os elementos da primeira coluna devem permanecer positivos: o ganho que anula o elemento de s¹ é o limite de estabilidade, e a linha s² dá então a frequência da oscilação sustentada.

Polinômio característico

s³ + 5s² + 4s − 20 = 0

Tabela de Routh

s³: 1, 4
s²: 5, −20
s¹: 8
s⁰: −20

Trocas de sinal na primeira coluna

1 → 5 → 8 → −20
N = 1

Resposta

N = 1

A realimentação positiva torna negativo o coeficiente constante: um polo real sempre passa para o semiplano direito.

8.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes

Resposta: θd = 51,34 °

Lugar das raízes: quando o ganho K vai de 0 a ∞, os polos de malha fechada, as raízes de 1 + K·G(s) = 0, movem-se dos polos de malha aberta para os zeros de malha aberta ou para o infinito. Um ponto do eixo real pertence ao lugar das raízes quando o número de polos e zeros reais à sua direita é ímpar. Os n − m ramos que vão ao infinito seguem assíntotas nos ângulos (2q + 1)·180°/(n − m), que partem do centroide σₐ = (Σ polos − Σ zeros)/(n − m). Os ramos saem do eixo real ou chegam a ele onde dK/ds = 0. A condição de ângulo ∠G(s) = 180° fixa a forma, e a condição de módulo K = 1/|G(s)| dá o ganho em qualquer ponto do lugar das raízes.

Posições dos polos

s² + 2s + 17 = 0 → s = −1 ± j4
s = −6

Ângulos dos outros polos

∠(−1 + j4 + 6) = atan2(4, 5) = 38,66°
∠(−1 + j4 − (−1 − j4)) = ∠(j8) = 90°

Ângulo de partida

θd = 180° − 38,66° − 90° = 51,34°

Resposta

θd = 51,34°
9.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: K = 38

Erro em regime permanente: em uma malha com realimentação unitária e função de transferência de malha aberta G(s), o erro é E(s) = R(s)/(1 + G(s)), e pelo teorema do valor final ess = lims→0 s·E(s). O tipo do sistema é o número de polos de G(s) em s = 0. As constantes de erro são Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) e Ka = lim s²·G(s), todas para s → 0. Um degrau de tamanho A dá ess = A/(1 + Kp), uma rampa A·t dá A/Kv e uma parábola A·t²/2 dá A/Ka. Uma malha do tipo 0 segue um degrau com erro finito, uma malha do tipo 1 o segue exatamente e segue uma rampa com erro finito.

Constante de erro necessária

1/(1 + Kp) = 0,05 → Kp = 19

Ganho

K/2 = 19 → K = 38

Resposta

K = 38

Verifique também a estabilidade de malha fechada: para esta malha de segunda ordem qualquer K > 0 é estável.

10.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: ess = 5

Controle P, PI e PID: o controlador C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s atua sobre o erro. Um ganho proporcional torna a malha mais rápida e reduz o erro de uma planta do tipo 0, mas nunca o elimina. O termo integral acrescenta um polo em s = 0: o tipo do sistema sobe uma unidade, e um degrau é seguido sem erro. O termo derivativo acrescenta amortecimento. Para escolher os ganhos, escreva o polinômio característico de malha fechada e compare-o com s² + 2ζωns + ωn². Então %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd com ωd = ωn√(1 − ζ²), e ts ≈ 4/(ζωn).

Constante de velocidade

s·C(s) = 1s + 0,5 → 0,5 quando s → 0.

Kv = 0,5·20/10 = 1

Erro de rampa

ess = 5/1 = 5

Resposta

ess = 5

O controlador PI remove completamente o erro ao degrau; uma rampa é seguida com um atraso constante.

11.Diagramas de Bode e margens

Resposta: |H| = −12,35 dB

Resposta em frequência: substitua s = jω na função de transferência. O módulo em decibéis é 20·log₁₀|H(jω)| e a fase é a soma dos ângulos dos fatores do numerador menos os do denominador. Um filtro RC ou RL de primeira ordem tem sua frequência de corte (−3 dB) em ωc = 1/(RC) ou R/L, e fc = ωc/(2π); um filtro passa-baixas dá |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) e φ = −atan(ω/ωc). No diagrama de Bode assintótico (de retas), cada polo inclina o módulo para baixo em 20 dB/década na sua frequência de canto, cada zero o inclina para cima em 20 dB/década, e um integrador 1/s dá −20 dB/década em todas as frequências. Cruzamento de ganho ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margem de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruzamento de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margem de ganho MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. A malha fechada é estável quando as duas margens são positivas.

Frequência de corte

ωc = R/L = 100/0,1 = 1000 rad/s
fc = 159,2 Hz → f/fc = 640/159,2 = 4,021

Ganho

|H| = 1/√(1 + 4,021²) = 0,2413
20·log₁₀(0,2413) = −12,35 dB

Resposta

|H| = −12,35 dB
12.Diagramas de Bode e margens

Resposta: GM = 2,007 dB

Resposta em frequência: substitua s = jω na função de transferência. O módulo em decibéis é 20·log₁₀|H(jω)| e a fase é a soma dos ângulos dos fatores do numerador menos os do denominador. Um filtro RC ou RL de primeira ordem tem sua frequência de corte (−3 dB) em ωc = 1/(RC) ou R/L, e fc = ωc/(2π); um filtro passa-baixas dá |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) e φ = −atan(ω/ωc). No diagrama de Bode assintótico (de retas), cada polo inclina o módulo para baixo em 20 dB/década na sua frequência de canto, cada zero o inclina para cima em 20 dB/década, e um integrador 1/s dá −20 dB/década em todas as frequências. Cruzamento de ganho ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margem de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruzamento de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margem de ganho MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. A malha fechada é estável quando as duas margens são positivas.

Cruzamento de fase

(ω/5)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(5·9) = 6,708 rad/s

Módulo no cruzamento de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 81)) = K/(5·9·(5 + 9)) = K/630

Margem de ganho

GM = 20·log₁₀(630/500) = 2,007 dB

Resposta

GM = 2,007 dB

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