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
t (s)f(t)t = 0,2f(0,2) = ?

Encontre f(t) para F(s) = 20/(s(s + 4)(s + 5)) por frações parciais e calcule f(0,2).

F(s) = 20/(s(s + 4)(s + 5))t = 0,2 s
f(0.2) =
2.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Um sistema obedece a y″ + 5y′ + 6y = 12·u(t), com y(0) = 4 e y′(0) = 0. Em t = 0 é aplicada uma entrada em degrau u(t) = 1. Use a transformada de Laplace para encontrar y(0,1).

y″ + 5y′ + 6y = 12·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,1 s
y(0.1) =
3.Diagramas de blocosMédia
R(s)+Ks(s + 20)G(s)C(s)−

A planta G(s) = K/(s(s + 20)) 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 + 20))realimentação negativa unitária
K =
4.Diagramas de blocosDifícil
R(s)+16s + 4G₁+9s + 8G₂C(s)1H₁−1H₂−

Reduza o diagrama de blocos com G₁ = 16/(s + 4), G₂ = 9/(s + 8), uma realimentação negativa interna H₁ = 1 em torno de G₂ e uma realimentação negativa externa H₂ = 1. Encontre o ganho CC T(0) de C(s)/R(s).

G₁ = 16/(s + 4)G₂ = 9/(s + 8)H₁ = 1H₂ = 1
T(0) =
5.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)2?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 114/(s² + 8s + 57) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o sobressinal percentual %OS da resposta ao degrau.

G(s) = 114/(s² + 8s + 57)
%OS = %
6.Resposta ao degrauDifícil
R(s)+15s(s + 2)G(s)C(s)−

Uma malha de realimentação negativa unitária tem G(s) = 15/(s(s + 2)). Encontre o tempo de acomodação de 2 % ts da resposta ao degrau de malha fechada, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 15/(s(s + 2))
ts = s
7.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízesMédia
R(s)+K = 32,41s(s + 3)(s + 6)C(s)−

A malha do diagrama funciona com K = 32,4 e L(s) = K/(s(s + 3)(s + 6)). Por qual fator m o ganho pode ser aumentado antes que a malha fechada se torne instável?

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 6))K = 32,4
m =
8.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízesDifícil
ReIm−2−4j2j4

O lugar das raízes de L(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 4)) está esboçado. Encontre a frequência ω em que o lugar das raízes cruza o eixo imaginário.

L(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 4))
ω = rad/s
9.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
R(s)+K(s + 4)(s + 10)C(s)−

Uma malha com realimentação unitária tem G(s) = K/((s + 4)(s + 10)). Encontre o ganho K que dá um erro em regime permanente de 25 % para uma entrada em degrau.

G(s) = K/((s + 4)(s + 10))ess = 25 %
K =
10.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
r(t) = 5t+2 + 10/s2(s + 4)(s + 10)C(s)−

Um controlador PI C(s) = 2 + 10/s controla a planta G(s) = 2/((s + 4)(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) = 2 + 10/sG(s) = 2/((s + 4)(s + 10))r(t) = 5t
ess =
11.Diagramas de Bode e margensMédia
|H| (dB)1101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 10

Encontre o módulo exato |G(jω)| de G(s) = 2640/((s + 11)(s + 15)) em ω = 10 rad/s, em dB.

G(s) = 2640/((s + 11)(s + 15))ω = 10 rad/s
|G(jω)| = dB
12.Diagramas de Bode e margensDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = 68/(s(s + 4)(s + 8)). Encontre a margem de ganho GM em dB.

L(s) = 68/(s(s + 4)(s + 8))
GM = dB

3Soluções

1.Transformadas de Laplace

Resposta: f(0.2) = 0,2249

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).

Frações parciais

F(s) = A/s + B/(s + 4) + C/(s + 5)
A = 20/(4·5) = 1
B = 20/((−4)·1) = −5
C = 20/((−5)·(−1)) = 4

Transformada inversa

f(t) = 1 − 5·e−4t + 4·e−5t

Calcular

f(0,2) = 1 − 5·e−4·0,2 + 4·e−5·0,2 = 0,2249

Resposta

f(0,2) = 0,2249
2.Transformadas de Laplace

Resposta: y(0.1) = 3,949

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

(s² + 5s + 6)·Y(s) = 4s + 20 + 12/s
Y(s) = (4s² + 20s + 12)/(s(s + 2)(s + 3))

Frações parciais

A = 12/(2·3) = 2
B = −12/((−2)·1) = 6
C = −12/((−3)·(−1)) = −4

Resultado

y(t) = 2 + 6·e−2t − 4·e−3t
y(0,1) = 3,949

Resposta

y(0,1) = 3,949

Verificação: y(0) = A + B + C = 4.

3.Diagramas de blocos

Resposta: K = 100

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 + 20)) = 0 → s² + 20s + K = 0

Raiz repetida

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

20² = 4K → K = 400/4 = 100

Resposta

K = 100
Os dois polos de malha fechada ficam então em s = −10.
4.Diagramas de blocos

Resposta: T(0) = 0,6792

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).

Malha interna

Gᵢ = G₂/(1 + G₂H₁) = 9/(s + 17)

Malha externa

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 144/((s + 4)(s + 17) + 144)

Ganho CC

T(0) = 144/(4·17 + 144) = 144/212 = 0,6792

Resposta

T(0) = 0,6792
5.Resposta ao degrau

Resposta: %OS = 14,05 %

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 = 57 → ωₙ = 7,55 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·7,55) = 0,5298

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,963 = 14,05 %

Resposta

%OS = 14,05 %
6.Resposta ao degrau

Resposta: ts = 4 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).

Função de transferência de malha fechada

T(s) = 15/(s² + 2s + 15): ωₙ = 3,873 rad/s, ζ = 0,2582

Tempo de acomodação

ζωₙ = 2/2 = 1
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 4 s

Resposta

ts = 4 s

Nesta malha ζωₙ = a/2 seja qual for K: aumentar K aumenta o sobressinal, mas não encurta o tempo de acomodação.

7.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes

Resposta: m = 5

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 + 9s² + 18s + K = 0
s³: 1, 18
s²: 9, K
s¹: (9·18 − K)/9
s⁰: K

Maior ganho estável

Kmax = 9·18 = 162

Fator

m = 162/32,4 = 5

Resposta

m = 5

Esse fator é a margem de ganho como razão: 13,98 dB.

8.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes

Resposta: ω = 4,359 rad/s

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.

Ganho crítico

s³ + 8s² + 19s + 12 + K = 0
s¹: (8·19 − 12 − K)/8 = 0 → K = 140

Frequência de cruzamento

8s² + 12 + 140 = 8s² + 152 = 0 → s² = −19
ω = √19 = 4,359 rad/s

Resposta

ω = 4,359 rad/s
9.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: K = 120

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) = 0,25 → Kp = 3

Ganho

K/40 = 3 → K = 120

Resposta

K = 120

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 = 10

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) = 2s + 10 → 10 quando s → 0.

Kv = 10·2/40 = 0,5

Erro de rampa

ess = 5/0,5 = 10

Resposta

ess = 10

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

11.Diagramas de Bode e margens

Resposta: |G(jω)| = 19,87 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.

Multiplique os módulos

|G(j10)| = 2640/(√(10² + 11²)·√(10² + 15²)) = 2640/(14,87·18,03) = 9,851

Resultado

20·log₁₀(9,851) = 19,87 dB

Resposta

|G(jω)| = 19,87 dB
12.Diagramas de Bode e margens

Resposta: GM = 15,04 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/4)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(4·8) = 5,657 rad/s

Módulo no cruzamento de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 64)) = K/(4·8·(4 + 8)) = K/384

Margem de ganho

GM = 20·log₁₀(384/68) = 15,04 dB

Resposta

GM = 15,04 dB

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