Engenharia de Controle 2: Projeto de Controle com Realimentação: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 10 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.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)3

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 123/(s² + 3s + 41) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o fator de amortecimento ζ.

G(s) = 123/(s² + 3s + 41)
ζ =
2.Resposta ao degrauDifícil
k = 5000 N/mc = 190 N·s/mm = 20 kgF = 50 Nx(t)

Uma massa m = 20 kg está pendurada em uma mola k = 5000 N/m com um amortecedor viscoso c = 190 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 = 20 kgk = 5000 N/mc = 190 N·s/mF = 50 N
tp = s
3.Diagramas de Bode e margensMédia
|H| (dB)0,11101001000−100−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 3

Encontre o módulo exato |G(jω)| de G(s) = 68/((s + 2)(s + 17)) em ω = 3 rad/s, em dB.

G(s) = 68/((s + 2)(s + 17))ω = 3 rad/s
|G(jω)| = dB
4.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) = 474/(s(s + 5)(s + 10)). Encontre a margem de ganho GM em dB.

L(s) = 474/(s(s + 5)(s + 10))
GM = dB
5.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízesMédia
R(s)+K1(s + 1)(s + 4)(s + 6)C(s)−

Uma malha com realimentação unitária tem L(s) = K/((s + 1)(s + 4)(s + 6)), com K > 0. Encontre o maior ganho Kmax para o qual a malha fechada é estável.

L(s) = K/((s + 1)(s + 4)(s + 6))
Kmax =
6.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízesDifícil
ReIm−1−2−3−4−5−6−71j1j2

O lugar das raízes de L(s) = K(s + 6)/(s(s + 2)) sai do eixo real entre s = 0 e s = −2, faz uma volta e retorna ao eixo real à esquerda do zero. Encontre o ponto de chegada si.

L(s) = K(s + 6)/(s(s + 2))
si =
7.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
r(t) = 2t+Ks(s + 10)C(s)−

Uma malha com realimentação unitária com G(s) = K/(s(s + 10)) deve seguir a rampa r(t) = 2t com um erro em regime permanente de 0,5. Encontre o ganho K.

G(s) = K/(s(s + 10))r(t) = 2tess = 0,5
K =
8.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
R(s)+Kp​ + Ki​/s1s + 1C(s)−

Um controlador PI C(s) = Kp + Ki/s controla a planta G(s) = 1/(s + 1) em uma malha com realimentação unitária. A malha fechada deve ter ωₙ = 10 rad/s e ζ = 0,5. Encontre o ganho integral Ki.

G(s) = 1/(s + 1)ωₙ = 10 rad/sζ = 0,5
Ki =
9.Diagramas de blocosMédia
R(s)+2K+2s + 7G(s)C(s)3H₁−−

A planta G(s) = 2/(s + 7) tem uma malha interna (secundária) de realimentação negativa com ganho H₁ = 3. Um ganho de controlador K = 2 e uma malha externa de realimentação negativa unitária fecham o sistema. Encontre o ganho CC de malha fechada T(0).

G(s) = 2/(s + 7)H₁ = 3K = 2
T(0) =
10.Diagramas de blocosDifícil
R(s)+Kcontrolador+D(s)+7s + 7plantaC(s)−

Um controlador proporcional K comanda a planta G(s) = 7/(s + 7) em uma malha de realimentação negativa unitária. Um degrau de perturbação de tamanho 2 entra na entrada da planta com R = 0. Encontre o menor ganho K que mantém a saída em regime permanente igual ou inferior a 0,2.

G(s) = 7/(s + 7)D = 2css ≤ 0,2
K =

3Soluções

1.Resposta ao degrau

Resposta: ζ = 0,2343

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 = 41 → ωₙ = 6,403 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·6,403) = 0,2343

Resultado

ζ = 0,2343

Resposta

ζ = 0,2343
2.Resposta ao degrau

Resposta: tp = 0,2083 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) = √(5000/20) = 15,81 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 190/(2·√(5000·20)) = 0,3004

Resultado

ωd = 15,08 rad/s
tp = π/ωd = 0,2083 s

Resposta

tp = 0,2083 s
3.Diagramas de Bode e margens

Resposta: |G(jω)| = 0,7686 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(j3)| = 68/(√(3² + 2²)·√(3² + 17²)) = 68/(3,606·17,26) = 1,093

Resultado

20·log₁₀(1,093) = 0,7686 dB

Resposta

|G(jω)| = 0,7686 dB
4.Diagramas de Bode e margens

Resposta: GM = 3,986 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/10) = 1 → ω180 = √(5·10) = 7,071 rad/s

Módulo no cruzamento de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 100)) = K/(5·10·(5 + 10)) = K/750

Margem de ganho

GM = 20·log₁₀(750/474) = 3,986 dB

Resposta

GM = 3,986 dB
5.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes

Resposta: Kmax = 350

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 + 11s² + 34s + 24 + K = 0

Tabela de Routh

s³: 1, 34
s²: 11, 24 + K
s¹: (11·34 − 24 − K)/11
s⁰: 24 + K

Condição

O elemento de s¹ deve permanecer positivo.

K < 11·34 − 24 = 350

Resposta

Kmax = 350

No limite a malha oscila em ω = √34 = 5,831 rad/s.

6.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes

Resposta: si = −10,9

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.

Ganho ao longo do eixo real

K(s) = −(s² + 2s)/(s + 6)

Pontos estacionários

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

(2s + 2)(s + 6) − (s² + 2s) = s² + 12s + 12 = 0
s = −6 ± √24 = −1,101, −10,9

Ponto de chegada

si = −10,9

Resposta

si = −10,9

Entre os dois pontos de ruptura o lugar das raízes é uma circunferência centrada no zero, com raio √24 = 4,899.

7.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: K = 40

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 necessária

Kv = A/ess = 2/0,5 = 4

Ganho

K = 10·Kv = 40

Resposta

K = 40

Um ganho grande deixa esta malha muito pouco amortecida: ζ = 0,7906. Esse conflito é o motivo de se usarem compensadores.

8.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: Ki = 100

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 + 1).

s² + (1 + 1Kp)s + 1Ki

Polinômio desejado

s² + 2·0,5·10s + 10² = s² + 10s + 100

Iguale os coeficientes

1Ki = 100 → Ki = 100

Resposta

Ki = 100

O termo integral torna a malha do tipo 1, então um degrau é seguido sem erro em regime permanente.

9.Diagramas de blocos

Resposta: T(0) = 0,2353

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 = G/(1 + G·H₁) = 2/(s + 7 + 2·3) = 2/(s + 13)

Malha externa

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 4/(s + 13 + 4) = 4/(s + 17)

Resultado

T(0) = 4/17 = 0,2353

Resposta

T(0) = 0,2353
10.Diagramas de blocos

Resposta: K = 9

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 à perturbação

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 2·7/(7 + 7K)

Resolva para K

7 + 7K = 2·7/0,2 = 70
K = (70 − 7)/7 = 9

Resposta

K = 9

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