Sistemas de Controle 1

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1 Pontifícia Universidade Católica de Goiás Escola de Engenharia Sistemas de Controle 1 Cap4 Resposta no Domínio do Tempo Prof. Dr. Marcos Lajovic Carneiro

2 Sistemas de Controle 1 Prof. Dr. Marcos Lajovic Carneiro 4. Resposta no Domínio do Tempo 4.1 Introdução 4.2 Pólos, Zeros e Resposta do Sistema 4.3 Sistemas de Primeira Ordem 4.4 Sistemas de Segunda Ordem: Introdução 4.5 O Sistema de Segunda Ordem Geral 4.6 Sistemas de Segunda Ordem Subamortecidos 4.7 Resposta de Sistemas com Pólos Adicionais 4.8 Resposta de Sistema com Zeros 4.9 Efeitos das Não-linearidades sobre a Resposta no Domínio do Tempo 4.10 Solução das Equações de Estado Através da Transformada de Laplace 4.11 Solução das Equações de Estado no Domínio do Tempo

3 4.6 Sistemas de Segunda Ordem Subamortecidos Analisando a resposta no tempo de sistemas subamortecidos Função de transferência Resposta ao degrau

4 4.6 Sistemas de Segunda Ordem Subamortecidos Parâmetros associados à resposta de segunda ordem: Resposta para vários valores de ζ (amortecimento) - ζ amortecimento - ω n frequência natural Parâmetros associados à resposta subamortecida: - Instante de pico, T p - Ultrapassagem percentual, %UP - Tempo de assentamento, T s - Tempo de subida, T r

5 4.6 Sistemas de Segunda Ordem Subamortecidos Instante de pico, T p Tempo necessário para alcançar o primeiro valor de pico (máximo). Ultrapassagem percentual, %UP O quanto a forma de onda, no instante de pico, ultrapassa o valor de estado estacionário, final, expresso como uma percentagem do valor de estado estacionário. Tempo de assentamento, Ts Tempo necessário para que as oscilações amortecidas do regime transitório entrem e permaneçam no interior de uma faixa de valores de ±2% em torno do valor de estado estacionário

6 4.6 Sistemas de Segunda Ordem Subamortecidos Tempo de subida, Tr Tempo necessário para que a forma de onda vá de 0.1 a 0.9 do valor final. Não é possível obter uma relação analítica para esse parâmetro em sistemas de segunda ordem. Ultrapassagem percentual, %UP Tempo de assentamento, Ts Tempo de subida, Tr Instante de pico, T p

7 4.6 Sistemas de Segunda Ordem Subamortecidos Resolução: Calculando: Logo: ω n = 10 ζ = 0.75

8 4.6 Sistemas de Segunda Ordem Subamortecidos Resolução: ω n = 10 ζ = 0.75

9 4.6 Sistemas de Segunda Ordem Subamortecidos T r(norm) = 2. 3s Tabela do tempo de subida normalizado T r(norm) = T r. ω n T r = T r norm ω n T r = T r = 0. 23s ζ = 0.75 Tempo de subida

10 4.6 Sistemas de Segunda Ordem Subamortecidos O gráfico dos pólos fornece importantes informações Frequência natural Frequência natural Frequência amortecida de oscilação Distância entre o pólo e a origem Fator de amortecimento Instante de pico Tempo de assentamento frequência exponencial amortecida

11 4.6 Sistemas de Segunda Ordem Subamortecidos Analisando efeito da movimentação dos pólos na resposta de saída do sistema Pólos subindo - Frequência natural aumenta mas envoltória permanece a mesma (parte real constante). - Tempo de assentamento permanece constante. - A medida que o a ultrapassagem aumenta o tempo de pico diminui.

12 4.6 Sistemas de Segunda Ordem Subamortecidos Analisando efeito da movimentação dos pólos na resposta de saída do sistema Pólos deslocando para esquerda - Parte imaginária constante: frequência de oscilação constante - Instante de pico permanece o mesmo. - Amortecimento se torna mais rápido.

13 4.6 Sistemas de Segunda Ordem Subamortecidos Analisando efeito da movimentação dos pólos na resposta de saída do sistema Pólos deslocando ao longo de uma linha radial - Ultrapassagem percentual permanece a mesma - Quanto mais longe da origem, mais rápida a resposta.

14 4.6 Sistemas de Segunda Ordem Subamortecidos

15 4.6 Sistemas de Segunda Ordem Subamortecidos Levantando a função de transferência do sistema: Js 2 + Ds + K θ(s) = T(s) G s = θ s T(s) Js 2 + Ds + K G(s) = 1 s 2 + D J s + K J G(s) = 1 J

16 4.6 Sistemas de Segunda Ordem Subamortecidos Queremos o tempo de assentamento de 2s:

17 4.6 Sistemas de Segunda Ordem Subamortecidos Considerando %UP = 20%: = ln(0.2) π 2 + ln = 0.456

18 4.7 Resposta de Sistemas com Pólos Adicionais As equações para cálculo de tempo de assentamento, ultrapassagem percentual e instante de pico foram deduzidas para sistemas com apenas 2 pólos e nenhum zero. Se o sistema possuir mais de 2 pólos ou algum zero as expressões são inválidas. Contudo alguns sistemas com mais de 2 pólos e com zeros podem ser aproximados como sistemas de segunda ordem com dois pólos dominantes complexos. Aproximando um sistema com 3 pólos 2 pólos complexos 1 pólo real

19 4.7 Resposta de Sistemas com Pólos Adicionais Aproximando um sistema com 3 pólos Considere um sistema com 3 pólos recebendo uma entrada em degrau: Pólo 3 não muito distante dos pólos dominantes Aproximação inválida Pólo 3 distante dos pólos dominantes Aproximação válida Pólo 3 infinitamente distante dos pólos dominantes Aproximação válida

20 4.7 Resposta de Sistemas com Pólos Adicionais Pequeno efeito do pólo distante Grande efeito do pólo próximo O terceiro pólo fica distante o suficiente após 5 constantes de tempo (aproximadamente)

21 4.8 Resposta de Sistema com Zeros Estudando sistemas com 2 pólos e 1 zero 1 zero no semiplano da esquerda: Testando zeros em -3, -5 e Quanto mais próximo o zero do pólo dominante, maior o efeito na resposta transitória. - Zero afastado resposta tende ao sistema com dois pólos e nenhum zero

22 4.8 Resposta de Sistema com Zeros Estudando sistemas com 2 pólos e 1 zero 1 zero no semiplano da esquerda: A resposta de um sistema com um zero corresponde a duas componentes da resposta atual: Derivada do sistema original Sistema original com um ganho simples Se o zero for muito grande a resposta será uma escala da original: Se o zero não for muito grande, a resposta terá uma componente adicional derivada: Aumento na ultrapassagem percentual

23 4.8 Resposta de Sistema com Zeros Estudando sistemas com 2 pólos e 1 zero 1 zero no semiplano da direita: - Quando a é negativo - Sistemas de resposta não mínima. Exemplo: Se uma motocicleta ou um avião forem de fase não-mínima, virarão inicialmente para a esquerda ao serem comandados para manobrar para a direita

24 4.9 Efeitos das Não-linearidades sobre a Resposta no Domínio do Tempo Exame qualitativo dos efeitos das não-linearidades sobre a resposta no domínio do tempo. Saturação de um amplificador O efeito da saturação de um amplificador antes de um motor. limite de velocidade do motor.

25 4.9 Efeitos das Não-linearidades sobre a Resposta no Domínio do Tempo Efeito de uma zona morta sobre o ângulo de saída de um eixo A zona morta está presente quando o motor não consegue responder a valores pequenos de tensão. A entrada do motor é um sinal senoidal escolhido para permitir evidenciar os efeitos da zona morta. A resposta começa quando a tensão de entrada do motor excede um limiar. Observa-se uma amplitude menor quando a zona morta está presente.

26 4.9 Efeitos das Não-linearidades sobre a Resposta no Domínio do Tempo Efeito de folgas (backlash) sobre o eixo de saída acionado por um motor com engrenagens Quando o motor inverte o sentido de rotação, o eixo de saída permanece parado no início do movimento de inversão de sentido. Quando as engrenagens finalmente ultrapassam a folga de contato, o eixo de saída começa a girar no sentido oposto. A resposta resultante é bastante diferente da resposta de um sistema linear sem folga.

27 4.10 Solução das Equações de Estado Através da Transformada de Laplace Obtendo a solução das equações no espaço dos estados: Sistema: Aplicando a transformada de Laplace: Isolando X(s): Aplicando a transformada de Laplace à equação de saída:

28 4.10 Solução das Equações de Estado Através da Transformada de Laplace Isolando a função de transferência: Pólos do sistema no espaço dos estados = Autovalores do sistema Raízes

29 4.10 Solução das Equações de Estado Através da Transformada de Laplace

30 4.10 Solução das Equações de Estado Através da Transformada de Laplace Passo 1) A= Passo 2)

31 4.10 Solução das Equações de Estado Através da Transformada de Laplace Passo 3) Invertendo a matriz

32 4.10 Solução das Equações de Estado Através da Transformada de Laplace Passo 4) u t = e t B= U s = 1 (s + 1)

33 4.10 Solução das Equações de Estado Através da Transformada de Laplace Passo 5)

34 4.10 Solução das Equações de Estado Através da Transformada de Laplace Passo 6) equação da saída

35 4.10 Solução das Equações de Estado Através da Transformada de Laplace Passo 6) equação da saída Fazendo a simplificação de polinômios: Um zero em -1 cancela o pólo em -1 Expandindo em frações parciais

36 4.10 Solução das Equações de Estado Através da Transformada de Laplace Passo 7) Aplicando a inversa de Laplace

37 4.10 Solução das Equações de Estado Através da Transformada de Laplace Fornece tanto os pólos do sistema quanto os autovalores