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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
Escreva o polinômio característico de malha fechada: o denominador de 1 + K·G(s) = 0, desenvolvido.
Coloque os coeficientes alternadamente nas duas primeiras linhas da tabela de Routh e construa as demais linhas.
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.
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
Conte os polos da malha aberta C(s)·G(s) em s = 0: esse é o tipo do sistema.
Calcule a constante de erro que corresponde à entrada: Kp para um degrau, Kv para uma rampa, Ka para uma parábola.
Aplique ess = A/(1 + Kp), A/Kv ou A/Ka, ou resolva-a para o ganho de que você precisa.
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
F(s) = (2s + 39)/(s² + 9s + 8). Sua transformada inversa tem a forma f(t) = A·e−t + B·e−8t. Encontre o coeficiente A por frações parciais.
F(s) = (2s + 39)/(s² + 9s + 8)
A =
2.Transformadas de LaplaceDifícil
Resolva y″ + 8y′ + 15y = 0 com y(0) = 1 e y′(0) = 9 usando a transformada de Laplace e encontre y(0,25).
y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 1y′(0) = 9t = 0,25 s
y(0.25) =
3.Diagramas de blocosMédia
Uma malha de realimentação negativa unitária tem G(s) = 2(s + 3)/((s + 8)(s + 9)). Um degrau de tamanho 5 é aplicado na referência. Encontre o erro em regime permanente ess.
G(s) = 2(s + 3)/((s + 8)(s + 9))R = 5
ess =
4.Diagramas de blocosDifícil
Reduza o diagrama de blocos com G₁ = 17/(s + 3), G₂ = 1/(s + 7), uma realimentação negativa interna H₁ = 2 em torno de G₂ e uma realimentação negativa externa H₂ = 0,1. Encontre o ganho CC T(0) de C(s)/R(s).
G₁ = 17/(s + 3)G₂ = 1/(s + 7)H₁ = 2H₂ = 0,1
T(0) =
5.Resposta ao degrauMédia
Um sistema tem a função de transferência G(s) = 267/(s² + 5s + 89) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o sobressinal percentual %OS da resposta ao degrau.
G(s) = 267/(s² + 5s + 89)
%OS = %
6.Resposta ao degrauDifícil
Uma massa m = 1 kg está pendurada em uma mola k = 1000 N/m com um amortecedor viscoso c = 6 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Em repouso, em equilíbrio, uma força constante F = 50 N é aplicada de repente. Encontre o instante tp em que o deslocamento é máximo.
m = 1 kgk = 1000 N/mc = 6 N·s/mF = 50 N
tp = s
7.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízesMédia
A malha do diagrama funciona com K = 112 e L(s) = K/(s(s + 6)(s + 8)). Por qual fator m o ganho pode ser aumentado antes que a malha fechada se torne instável?
L(s) = K/(s(s + 6)(s + 8))K = 112
m =
8.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízesDifícil
O lugar das raízes de L(s) = K/((s + 6)(s + 12)) é mostrado. Encontre o ganho K no ponto de saída sb, onde os dois polos de malha fechada se encontram no eixo real.
L(s) = K/((s + 6)(s + 12))
K =
9.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
Um processo G(s) = 4/(10s + 1) é controlado por um ganho proporcional K = 19 em uma malha com realimentação unitária. Encontre o erro em regime permanente ess para um degrau, como porcentagem do tamanho do degrau.
G(s) = 4/(10s + 1)K = 19
ess = %
10.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
Um controlador PI C(s) = Kp + Ki/s controla a planta G(s) = 2/(s + 5) em uma malha com realimentação unitária. A malha fechada deve ter ωₙ = 8 rad/s e ζ = 0,8. Encontre o ganho integral Ki.
G(s) = 2/(s + 5)ωₙ = 8 rad/sζ = 0,8
Ki =
11.Diagramas de Bode e margensMédia
No filtro passa-faixa RLC série mostrado, a saída é tomada sobre R = 100 Ω, com L = 10 mH e C = 0,22 µF. Encontre a largura de banda de −3 dB BW em Hz.
R = 100 ΩL = 10 mHC = 0,22 µF
BW = Hz
12.Diagramas de Bode e margensDifícil
Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = 44/(s(s + 1)(s + 10)). Encontre a margem de ganho GM em dB.
L(s) = 44/(s(s + 1)(s + 10))
GM = dB
3Soluções
1.Transformadas de Laplace
Resposta: A = 5,286
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).
Fatore o denominador
s² + 9s + 8 = (s + 1)(s + 8)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 8)
Regra de cobertura
Multiplique por (s + 1) e faça s = −1: o termo em B desaparece.
A = (2s + 39)/(s + 8) |s = −1 = 37/7 = 5,286
Resposta
A = 5,286
(B = −3,286, então f(t) = 5,286·e−t − 3,286·e−8t)
2.Transformadas de Laplace
Resposta: y(0.25) = 1,588
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).
Transforme a equação
s²Y − 1s − 9 + 8(sY − 1) + 15Y = 0
Y(s) = (s + 17)/((s + 3)(s + 5))
Frações parciais
A = 14/2 = 7
B = 12/(−2) = −6
Resultado
y(t) = 7·e−3t − 6·e−5t
y(0,25) = 1,588
Resposta
y(0,25) = 1,588
Verificação: y(0) = A + B = 1.
3.Diagramas de blocos
Resposta: ess = 4,615
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).
Constante de erro de posição
Kₚ = G(0) = 2·3/(8·9) = 0,08333
Erro em regime permanente
ess = A/(1 + Kₚ) = 5/(1 + 0,08333) = 4,615
Resposta
ess = 4,615
4.Diagramas de blocos
Resposta: T(0) = 0,5923
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).
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 = 89 → ωₙ = 9,434 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·9,434) = 0,265
Resultado
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0,8634 = 42,17 %
Resposta
%OS = 42,17 %
6.Resposta ao degrau
Resposta: tp = 0,0998 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).
Frequência natural e razão de amortecimento
ωₙ = √(k/m) = √(1000/1) = 31,62 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 6/(2·√(1000·1)) = 0,09487
Resultado
ωd = 31,48 rad/s
tp = π/ωd = 0,0998 s
Resposta
tp = 0,0998 s
7.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes
Resposta: m = 6
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.
Tabela de Routh
s³ + 14s² + 48s + K = 0
s³: 1, 48
s²: 14, K
s¹: (14·48 − K)/14
s⁰: K
Maior ganho estável
Kmax = 14·48 = 672
Fator
m = 672/112 = 6
Resposta
m = 6
Esse fator é a margem de ganho como razão: 15,56 dB.
8.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes
Resposta: K = 9
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.
Ponto de saída
dK/ds = 0 para K = −(s + 6)(s + 12) dá 2s + 18 = 0.
sb = −9
Condição de módulo
K = |−9 + 6|·|−9 + 12| = 3·3 = 9
Resposta
K = 9
Para este ganho a malha fechada é criticamente amortecida (ζ = 1).
9.Erro em regime permanente e controle PID
Resposta: ess = 1,299 %
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 posição
Kp = 19·4 = 76
Erro ao degrau
ess = 100/(1 + 76) = 1,299 %
Resposta
ess = 1,299 %
10.Erro em regime permanente e controle PID
Resposta: Ki = 32
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).
Polinômio característico
1 + C(s)G(s) = 0, multiplicada por s(s + 5).
s² + (5 + 2Kp)s + 2Ki
Polinômio desejado
s² + 2·0,8·8s + 8² = s² + 12,8s + 64
Iguale os coeficientes
2Ki = 64 → Ki = 32
Resposta
Ki = 32
O termo integral torna a malha do tipo 1, então um degrau é seguido sem erro em regime permanente.
11.Diagramas de Bode e margens
Resposta: BW = 1592 Hz
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 ressonância
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·2,2 × 10⁻⁷) = 21320 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 3393 Hz
Largura de banda
BW = R/L = 100/0,01 = 10000 rad/s = 1592 Hz
Resposta
BW = 1592 Hz
12.Diagramas de Bode e margens
Resposta: GM = 7,959 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.