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−1−2−3−4−5−6−7−81

F(s) = (4s + 30)/(s² + 6s + 5). Sua transformada inversa tem a forma f(t) = A·e−t + B·e−5t. Encontre o coeficiente A por frações parciais.

F(s) = (4s + 30)/(s² + 6s + 5)
A =
2.Transformadas de LaplaceDifícil
ReIm−2−4−6−8−102

Um sistema é descrito pela equação diferencial y″ + 4y′ + 13y = 2u′ + 20u, 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 = 0,5 s. Encontre g(0,5).

y″ + 4y′ + 13y = 2u′ + 20ut = 0,5 s
g(0.5) =
3.Diagramas de blocosMédia
R(s)+K(s + 6)(s + 10)G(s)C(s)−

A planta G(s) = K/((s + 6)(s + 10)) 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 + 6)(s + 10))realimentação negativa unitária
K =
4.Diagramas de blocosDifícil
R(s)+78s(s + 8)G(s)C(s)1H−

A planta G(s) = 78/(s(s + 8)) está em uma malha de realimentação negativa com ganho de sensor H = 1. Os polos de malha fechada são complexos. Encontre a parte imaginária deles ωd (o valor positivo), em rad/s.

G(s) = 78/(s(s + 8))H = 1
ωd = rad/s
5.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)0,5

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 27/(s² + 12s + 54) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o fator de amortecimento ζ.

G(s) = 27/(s² + 12s + 54)
ζ =
6.Resposta ao degrauDifícil
k = 200 N/mc = 6 N·s/mm = 1 kgF = 50 Nx(t)

Uma massa m = 1 kg está pendurada em uma mola k = 200 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 = 200 N/mc = 6 N·s/mF = 50 N
tp = s
7.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízesMédia
R(s)+2101s(s + 2)(s + 5)C(s)−

A malha do diagrama tem realimentação negativa e L(s) = 210/(s(s + 2)(s + 5)). Quantos polos de malha fechada N estão no semiplano direito?

L(s) = 210/(s(s + 2)(s + 5))
N =
8.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízesDifícil
ReIm−2−4−6−8−10−12−14j2j4

O lugar das raízes de L(s) = K(s + 12)/(s(s + 7)) sai do eixo real entre s = 0 e s = −7, faz uma volta e retorna ao eixo real à esquerda do zero. Encontre o ponto de saída sb.

L(s) = K(s + 12)/(s(s + 7))
sb =
9.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
r(t) = 2t+20(s + 3)s(s + 4)C(s)−

Uma rampa r(t) = 2t é aplicada a uma malha com realimentação unitária com G(s) = 20(s + 3)/(s(s + 4)). Encontre o erro em regime permanente ess.

G(s) = 20(s + 3)/(s(s + 4))r(t) = 2t
ess =
10.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
R(s)+K = 84s(s + 5)C(s)−

Um controlador proporcional K = 8 controla a planta G(s) = 4/(s(s + 5)) em uma malha com realimentação unitária. Encontre o tempo de acomodação de 2 % ts da resposta ao degrau, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 4/(s(s + 5))K = 8
ts = s
11.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​L = 2 mHC = 0,22 µFR = 20 Ωvout​

No filtro passa-faixa RLC série mostrado, a saída é tomada sobre R = 20 Ω, com L = 2 mH e C = 0,22 µF. Encontre a frequência central (de ressonância) f0 em Hz.

R = 20 ΩL = 2 mHC = 0,22 µF
f0 = Hz
12.Diagramas de Bode e margensDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = 15,2/(s(s + 4)). Encontre a frequência de cruzamento de ganho ωc, onde |L(jω)| = 1.

L(s) = 15,2/(s(s + 4))
ωc = rad/s

3Soluções

1.Transformadas de Laplace

Resposta: A = 6,5

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 + 6s + 5 = (s + 1)(s + 5)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 5)

Regra de cobertura

Multiplique por (s + 1) e faça s = −1: o termo em B desaparece.

A = (4s + 30)/(s + 5) |s = −1 = 26/4 = 6,5

Resposta

A = 6,5
(B = −2,5, então f(t) = 6,5·e−t − 2,5·e−5t)
2.Transformadas de Laplace

Resposta: g(0.5) = 2,009

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) = (2s + 20)/(s² + 4s + 13)

Frações parciais

s² + 4s + 13 = (s + 2)² + 3²
G(s) = 2·(s + 2)/((s + 2)² + 3²) + (16/3)·3/((s + 2)² + 3²)

Resposta ao impulso

g(t) = e−2t·(2·cos 3t + 5,333·sin 3t)
g(0,5) = 2,009

Resposta

g(0,5) = 2,009
3.Diagramas de blocos

Resposta: K = 4

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 + 6)(s + 10)) = 0 → s² + 16s + 60 + K = 0

Raiz repetida

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

16² = 4(60 + K) → K = 256/4 − 60 = 4

Resposta

K = 4
Os dois polos de malha fechada ficam então em s = −8.
4.Diagramas de blocos

Resposta: ωd = 7,874 rad/s

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

s(s + 8) + 78·1 = 0 → s² + 8s + 78 = 0

Raízes

s = −4 ± j·√(78 − 16) = −4 ± j7,874
ωd = 7,874 rad/s

Resposta

ωd = 7,874 rad/s
5.Resposta ao degrau

Resposta: ζ = 0,8165

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 = 54 → ωₙ = 7,348 rad/s
2ζωₙ = 12 → ζ = 12/(2·7,348) = 0,8165

Resultado

ζ = 0,8165

Resposta

ζ = 0,8165
6.Resposta ao degrau

Resposta: tp = 0,2273 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) = √(200/1) = 14,14 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 6/(2·√(200·1)) = 0,2121

Resultado

ωd = 13,82 rad/s
tp = π/ωd = 0,2273 s

Resposta

tp = 0,2273 s
7.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes

Resposta: N = 2

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 + 7s² + 10s + 210 = 0

Tabela de Routh

s³: 1, 10
s²: 7, 210
s¹: −20
s⁰: 210

Trocas de sinal na primeira coluna

1 → 7 → −20 → 210
N = 2

Resposta

N = 2

O ganho está acima do limite K = 70, então um par complexo cruzou para o semiplano direito.

8.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes

Resposta: sb = −4,254

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 ao longo do eixo real

K(s) = −(s² + 7s)/(s + 12)

Pontos estacionários

Derive pela regra do quociente e iguale o numerador a zero.

(2s + 7)(s + 12) − (s² + 7s) = s² + 24s + 84 = 0
s = −12 ± √60 = −4,254, −19,75

Ponto de saída

sb = −4,254

Resposta

sb = −4,254

Entre os dois pontos de ruptura o lugar das raízes é uma circunferência centrada no zero, com raio √60 = 7,746.

9.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: ess = 0,1333

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 velocidade

Kv = lim s·G(s) = 15

Erro de rampa

ess = 2/15 = 0,1333

Resposta

ess = 0,1333
10.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: ts = 1,6 s

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

s(s + 5) + 8·4 = s² + 5s + 32

ωₙ e ζ

ωₙ = √32 = 5,657 rad/s
ζ = 5/(2·5,657) = 0,4419

Tempo de acomodação

ζωₙ = 5/2 = 2,5
ts ≈ 4/2,5 = 1,6 s

Resposta

ts = 1,6 s

O tempo de acomodação não depende de K aqui: aumentar K só faz a resposta oscilar mais rápido.

11.Diagramas de Bode e margens

Resposta: f0 = 7587 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/√(0,002·2,2 × 10⁻⁷) = 47673 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 7587 Hz

Resposta

f0 = 7587 Hz
12.Diagramas de Bode e margens

Resposta: ωc = 3,029 rad/s

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 ganho

ω⁴ + 16ω² − 231 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·231))/2 = 9,177
ωc = 3,029 rad/s

Resposta

ωc = 3,029 rad/s

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