Laboratórios 9, 10 e 11: Projeto de Controladores pelo Lugar das Raízes DAS5317 Sistemas de Controle



Documentos relacionados
Análise de Erro Estacionário

Capítulo 3 Sistemas de Controle com Realimentação

CONTROLO DE SISTEMAS

EA616B Análise Linear de Sistemas Resposta em Frequência

Controle de Sistemas. O Método do Lugar das Raízes. Renato Dourado Maia. Universidade Estadual de Montes Claros. Engenharia de Sistemas

Root Locus (Método do Lugar das Raízes)

Aula 11 Root Locus LGR (Lugar Geométrico das Raízes) parte I

Newton Maruyama. Projeto de Controladores No Domínio Da Freqüência p. 1/4

Função de Transferência de Malha Fechada

Truques e Dicas. = 7 30 Para multiplicar fracções basta multiplicar os numeradores e os denominadores: 2 30 = 12 5

LABORATÓRIO DE CONTROLE I APLICAÇÃO DE COMPENSADORES DE FASE DE 1ª ORDEM E DE 2ª ORDEM

UNIVERSIDADE GAMA FILHO PROCET DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA. Disciplina de Controle II Prof. MC. Leonardo Gonsioroski da Silva

Métodos de Sintonização de Controladores PID

Equações Diferenciais Ordinárias

Curvas em coordenadas polares

ESCOLA NAVAL DIRETORIA DE ENSINO DA MARINHA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CONTROLE E AUTOMAÇÃO. Professor Leonardo Gonsioroski

Resolução de sistemas lineares

SISTEMAS DE CONTROLE II

Notas sobre a Fórmula de Taylor e o estudo de extremos

Projeto de sistemas de controle

INSTITUTO TECNOLÓGICO

Circuitos de 2 ª ordem: RLC. Parte 1

Estatística II Antonio Roque Aula 9. Testes de Hipóteses

4Distribuição de. freqüência

Exercícios Teóricos Resolvidos

Universidade Federal de São Carlos Departamento de Matemática Curso de Cálculo Numérico - Turma E Resolução da Primeira Prova - 16/04/2008

Métodos Quantitativos Prof. Ms. Osmar Pastore e Prof. Ms. Francisco Merlo. Funções Exponenciais e Logarítmicas Progressões Matemáticas

Desempenho de Sistemas de Controle Realimentados

Universidade Federal do Rio Grande do Sul Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Elétrica ENG04037 Sistemas de Controle Digitais

Realizando cálculos para o aparelho divisor (I)

Laboratórios de CONTROLO (LEE) 2 o Trabalho Motor DC Controlo de Velocidade

Estrutura geral de um sistema com realimentação unitária negativa, com um compensador (G c (s) em série com a planta G p (s).

O comportamento conjunto de duas variáveis quantitativas pode ser observado por meio de um gráfico, denominado diagrama de dispersão.

Potenciação no Conjunto dos Números Inteiros - Z

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA COLÉGIO TÉCNICO INDUSTRIAL DE SANTA MARIA Curso de Eletrotécnica

Medidas de Pontos Isoelétricos sem o Uso de Analisador de Potencial Zeta

O mercado de bens CAPÍTULO 3. Olivier Blanchard Pearson Education Pearson Education Macroeconomia, 4/e Olivier Blanchard

Análise de Sistemas em Tempo Contínuo usando a Transformada de Laplace

USO DO SCILAB PARA REALIZAÇÃO EM COMPUTADOR DE UM PROJETO DE UM COMPENSADOR DE ATRASO-AVANÇO

Sistemas de Controle (CON) Ações Básicas de Controle e Controle Proporcional

Me todos de Ajuste de Controladores

Estabilidade. Carlos Alexandre Mello. Carlos Alexandre Mello 1

Tabelas vista de estrutura

Aula 4 Estatística Conceitos básicos

Controle II. Estudo e sintonia de controladores industriais

C5. Formação e evolução estelar

EXERCÍCIOS RESOLVIDOS

Singularidades de Funções de Variáveis Complexas

1. Os métodos Não-Paramétricos podem ser aplicados a uma ampla diversidade de situações, porque não exigem populações distribuídas normalmente.

Tipos de malha de Controle

Cálculo em Computadores trajectórias 1. Trajectórias Planas. 1 Trajectórias. 4.3 exercícios Coordenadas polares 5

INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS TRANSFORMADAS DE LAPLACE

Introdução ao Estudo da Corrente Eléctrica

Análise de regressão linear simples. Departamento de Matemática Escola Superior de Tecnologia de Viseu

Introdução AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO. No domínio do tempo. No domínio da freqüência. Função de transferência. Módulo e fase da função de transferência

Faculdade de Computação

Exercícios Adicionais

Conectar diferentes pesquisas na internet por um menu

AV1 - MA (b) Se o comprador preferir efetuar o pagamento à vista, qual deverá ser o valor desse pagamento único? 1 1, , , 980

Propriedades das Funções Deriváveis. Prof. Doherty Andrade

Universidade Presbiteriana Mackenzie. Controle II

EE531 - Turma S. Diodos. Laboratório de Eletrônica Básica I - Segundo Semestre de 2010

COMO CALCULAR O PRINCIPAL INDICADOR PARA MEDIR A EFICIÊNCIA FINANCEIRA DE UMA

Comunicações Digitais Manual do Aluno Capítulo 7 Workboard PCM e Análise de Link

Análise e Processamento de Bio-Sinais. Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica. Sinais e Sistemas. Licenciatura em Engenharia Física

Sistemas a Tempo Discreto - Projeto

Texto 07 - Sistemas de Partículas. A figura ao lado mostra uma bola lançada por um malabarista, descrevendo uma trajetória parabólica.

Análise e Projeto de Sistemas de Controle pelo Método do Lugar das Raízes

Medida Doppler da velocidade de uma bola de futebol

CAPÍTULO 12. Projeto de controladores discretos

CDI Comunicação Digital

Mestrado Integrado em Engenharia Aeroespacial Aerodinâmica I. Fluido Perfeito

TRABALHO: CONTROLE DE UM SISTEMA PÊNDULO-CARRO

Aula 8 Controladores do tipo Proporcional, Integral e Diferencial

1. A corrida de vetores numa folha de papel.

Como Fotografar as Estrelas

Notas de Cálculo Numérico

PROGRAMAÇÃO BÁSICA DE CLP

Eventos independentes

MÓDULO 4 DISTRIBUIÇÃO DE FREQÜÊNCIAS

Exemplo: O pedido tem a finalidade de atender as necessidades previstas. O pedido tem a finalidade de atender às necessidades previstas.

EXCEL NA ANÁLISE DE REGRESSÃO

Curso de Instrumentista de Sistemas. Fundamentos de Controle. Prof. Msc. Jean Carlos

A versão 9.1 oferece agora uma forma de replicar rapidamente ajustes de preço da UM em vários itens de várias listas de preços.

Material Teórico - Módulo Elementos Básicos de Geometria Plana Parte 2. A Desigualdade Triangular. Oitavo Ano

Projeto pelo Lugar das Raízes

Ondas Sonoras. Velocidade do som

Introdução às equações diferenciais

UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA FACULDADE DE CIÊNCIAS INTEGRADAS DO PONTAL FÍSICA EXPERIMENTAL III INDUTORES E CIRCUITOS RL COM ONDA QUADRADA

APOSTILA DE INTEGRAÇÃO CONTROLLER

Sistemas Operacionais. Curso Técnico Integrado Profa: Michelle Nery

Sessão 2: Gestão da Asma Sintomática. Melhorar o controlo da asma na comunidade.]

O Princípio da Complementaridade e o papel do observador na Mecânica Quântica

Numa turma de 26 alunos, o número de raparigas excede em 4 o número de rapazes. Quantos rapazes há nesta turma?

Análise de Regressão Linear Simples e Múltipla

Exercícios resolvidos sobre Função de probabilidade e densidade de probabilidade

Planificação das sessões do Sistema de Comunicação por Troca de Imagens (PECS)

Laboratório 7 Circuito RC *

Rede de Comunicação I 2 C

Transcrição:

Laboratórios 9, 10 e 11: Projeto de Controladores pelo Lugar das Raízes DAS5317 Sistemas de Controle Hector Bessa Silveira e Daniel Coutinho 2012/2 1 Objetivos Neste próximos laboratórios, utilizar-se-á a ferramenta LGR para auxiliar no projeto de controladores tal que o sistema em malha fechada atenda especificações de desempenho transitório (tempo de estabilização e sobressinal) e em regime permanente (seguimento de trajetória e rejeição de perturbações). O projeto dos controladores será feito em duas etapas: (i) controlador de avanço de fase, C AV (s), para satisfazer a resposta transitória, e (ii) controlador de atraso de fase, C AT (s), para satisfazer a resposta em regime permanente. Para o posicionamento de pólos e zeros do controlador C(s) = KC AT (s)c AV (s), apresentar-se-á um conjunto de regras construtivas e o LGR é utilizado para ajustar o ganho proporcional do controlador K. Para verificar se as especificações em malha-fechada foram realmente satisfeitas será utilizado o aplicativo RLTOOL do Matlab. 2 Pólos dominantes O conceito de dominância desempenha um papel fundamental no projeto de controladores através do Lugar das Raízes. Seja M(s) uma Função de Transferência de malha-fechada, e s d um pólo real ou um par de pólos complexos conjugados de M(s) no SPE (Semi-Plano Esquerdo do plano complexo). Dizemos que s d é dominante quando: 1. Pólos e zeros à esquerda de s d estão afastados; 2. Pólos e zeros à direita de s d sempre ocorrem aos pares e, além disso, cada zero está muito próximo do pólo do par correspondente. Isto significa que o zero praticamente anula o efeito do pólo na resposta dinâmica, e vice-versa (o pólo anula o efeito do zero). Desse modo, se M(s) tem um pólo real dominante, então a resposta dinâmica de M(s) terá características muito próximas às de um sistema de primeira ordem. E, se M(s) tem um par de pólos complexos conjugados dominante, então a resposta dinâmica terá características muito próximas às de um sistema de segunda ordem com pólos complexos (sistema subamortecido). 1

No caso de uma dominância de primeira ordem, a função dominante seria na forma: G d (s) = k τs+1 sendo k o ganho estático e τ a constante de tempo do sistema. Para uma função de primeira ordem o t s (5%) = 3τ e não existe sobressinal. Em contra-partida, para uma dominância de segunda ordem, isto é: G d (s) = kω 2 n s 2 +2ξω n s+ω 2 n, a existência e o valor de sobressinal depende do valor do fator de amortecimento ξ e o tempo de estabilização é dado por t s (5%) = 3/(ξω n ) (ver maiores detalhes no Laboratório 8). 3 Projeto de controladores Considere o sistema em malha-fechada ilustrado na Figura 1, onde G(s) é o sistema a ser controlado, C(s) é o controlador, F(s) é um pré-filtro, r(t) é a referência, y(t) é a saída, e u(t) é o controle (ou entrada). Aqui, estamos assumindo que G(s) corresponde a um processo a ser controlado em série com possíveis controladores integrais que foram incluídos de forma que G(s) seja um sistema de Tipo compatível com certas referências r(t) e perturbações externas w(t), de modo a se alcançar erro nulo de rastreamento em regime permanente com rejeição de perturbação (veja os Laboratórios 4 e 5). r e u + C(s) G(s) F(s) y Figura 1: Diagrama de blocos do sistema em malha-fechada. Relembre que a Função de Transferência em malha-fechada é dada por M(s) = Y(s) R(s) = F(s) C(s)G(s) 1+C(s)G(s). Nesta experiência, estudaremos controladores da forma C(s) = C AV (s)c AT (s) = K s+z 1 s+p 1 } {{ } C AV (s) s+z 2, s+p } {{ 2 } C AT (s) onde K > 0 é um ganho ajustável, e z 1,z 2,p 1,p 2 > 0, com z 1 > p 1 (zero à direita do pólo) e z 2 < p 1 (zero à esquerda do pólo). Denominamos C AV (s) de controlador avanço de fase e C AT (s) de controlador atraso de fase. 2

Suponha que foram dadas certas especificações de regime transitório (tempo de acomodação, sobressinal, etc) e de regime permanente (e( ) 0 para r do tipo rampa, constante de velocidade ou de aceleração, etc) para a resposta dinâmica em malha-fechada. Nosso objetivo é encontrar um controlador C(s) de modo que tais especificações sejam atendidas. Para isso, separamos o problema em duas partes: 1. Primeiramente, projetamos um controlador avanço de fase C AV (s) para as especificações de regime transitório. 2. Em seguida, projetamos um controlador atraso de fase C AT (s) em série com C AV (s)g(s) para as especificações de regime permanente. O controlador final desejado será então C(s) = C AV (s)c AT (s). Relembre que, quanto menor for a ordem do controlador, menor serão a complexidade e os custos envolvidos na implementação. 4 Projeto do controlador avanço de fase Para projetarmos o controlador avanço de fase C AV (s), o qual se refere às especificações de regime transitório, realizamos os seguintes passos: 1. (Determinação de RD) Traçamos o Lugar da Raízes (LR) de G(s) e delimitamos a região do plano complexo que satisfaz as especificações de regime transitório (t s (5%), M p, etc). Denominamos tal delimitação de região desejada (RD). Temos que RD está no SPE. Nosso objetivo é projetar C AV (s) de modo que a Função de Transferência de malha-fechada M(s) tenha um pólo dominante (um pólo real ou um par de pólos complexos conjugados) em RD. 2. (Controlador Proporcional) Se o Lugar das Raízes de G(s) passa por RD, então C AV (s) = K (controlador proporcional), onde K > 0 é obtido a partir do Lugar das Raízes de modo que em malha-fechada tenhamos um pólo (quase 1 ) dominante em 2 RD. Seguimos então para o Passo 4. 3. (Posicionamento do Zero e do Pólo) Se o Lugar das Raízes de G(s) não passa por RD, devemos posicionar o zero e o pólo de C AV (s) no plano complexo de maneira que o Lugar das Raízes de C AV (s)g(s) passe por RD. Para o posicionamento do zero e do pólo, temos duas situações: (a) (Sem Perturbações na Entrada) Suponha que G(s) é um sistema de Tipo 1 ou superior. Então, em geral, escolhemos o zero de C AV (s) de modo a cancelar 3 o pólo de G(s) no SPE 1 Aqui, o termo quase dominante significa que é a presença de um único zero no SPE, ou de um único par pólo-zero no SPE, que tira a dominância do referido pólo. 2 Quanto mais longe da origem estiver o pólo dominante em RD, mais rápida será a dinâmica de malha-fechada, o que poderá resultar em sinais de controle demasiadamente elevados. Desse modo, devemos procurar obter um pólo (quase) dominante na parte de RD que está mais próxima da origem. 3 Se o zero estiver bem próximo do pólo, os efeitos são semelhantes ao de um cancelamento perfeito. 3

(estável!) que está mais próximo da origem, com exceção dos pólos em s = 0. O pólo de C AV (s) é então posicionado 4 à esquerda do zero de modo que o Lugar das Raízes de C AV (s)g(s) apresente um pólo (quase) dominante em RD. Isto é feito por tentativa e erro 5 (uma escolha inicial usual é p 1 = 10z 1 ). Neste momento, podemos especificar o ganho K > 0 de C AV (s) com base no LR. Observação 1: Pólos de G(s) muito próximos da origem não devem ser cancelados. Isto porque, na prática, não haverá um cancelamento perfeito entre o zero do controlador e o pólo do processo real. Assim, se um pólo de G(s) muito perto da origem for cancelado, é possível que o regime transitório do processo real para referências r(t) do tipo degrau apresente uma cauda com decaimento relativamente lento. Observação 2: Quando existirem perturbações externas W(s) na entrada de G(s) (não é na saída!), o pólo cancelado sempre aparecerá na Função de Transferência Y(s)/W(s) = G(s)/(1 + C(s)G(s)). Assim, um cancelamento pólo-zero poderá ser efetuado apenas se o pólo cancelado não acarretar em uma dinâmica de rejeição de perturbações demasiadamente lenta. (b) (Com Perturbações na Entrada) O zero de C AV (s) é posicionado 6 em RD de modo que o LR de C AV (s)g(s) apresente um pólo (quase) dominante 7 em RD (por tentativa e erro). O pólo de C AV (s) é então posicionado 8 à esquerda do zero (uma escolha inicial usual é p 1 = 10z 1 ). Podemos agora escolher o ganho K > 0 do controlador. Podeacontecerdeconstatarmosque,paraquaisquerposicionamentosdozeroedopólodeC AV (s) no plano complexo, o Lugar das Raízes de C AV (s)g ( s) nunca passe por RD. Neste caso, vamos para o Passo 5. 4. (Filtro F(s)) Após termos projetado o controlador C AV (s) nos passos anteriores, temos ainda duas situações: (a) (Sem Filtro (F(s) = 1)) Se há pólos dominantes em RD, devemos então verificar por simulação que as especificações de regime transitório foram realmente atendidas. Em caso afirmativo, seguimos para o projeto do controlador atraso de fase C AT (s) da próxima seção. Caso contrário, voltamos para o Passo 3 e ajustamos o C AV (s). (b) (Com Filtro) Se a referência r(t) é sempre do tipo degrau (como ocorre em muitas situações) e é a presença de um único zero em s = z no SPE que impede que tenhamos pólos 4 Em geral, quanto mais perto da origem estiver o pólo, menos suscetível será o sistema em malha-fechada a possíveis ruídos externos de alta frequência. 5 A busca pelo posicionamento adequado do pólo se torna menos onerosa à medida que ganhamos experiência com o método. 6 De maneira geral, quanto mais longe o zero estiver da origem, menos suscetível será o sistema em malha-fechada a possíveis ruídos externos de alta frequência. 7 Novamente, quanto mais longe da origem estiver o pólo dominante em RD, mais rápida será a dinâmica de malhafechada, o que poderá resultar em sinais de controle demasiadamente elevados. Desse modo, devemos procurar obter um pólo (quase) dominante na parte de RD que está mais próxima da origem. 8 Mais uma vez, quanto mais perto da origem estiver o pólo, menos suscetível será o sistema em malha-fechada a possíveis ruídos externos de alta frequência. 4

dominantes em RD, devemos inserir um pré-filtro da forma F(s) = z s+z de modo a cancelar o referido zero. Consequentemente, teremos um pólo dominante em RD. E, se são um zero em s = z e um pólo em s = p que impedem que tenhamos pólos dominantes em RD, utilizamos um pré-filtro da forma F(s) = p z s+z s+p. 5. Se G(s) é relativamente complexa e/ou as especificações de regime transitório são muito rigorosas (por exemplo, t s (5%) é relativamente pequeno em relação à dinâmica do processo em malhaaberta), é possível que os passos anteriores não permitiram a determinação de um controlador C AV (s) queatendaas especificações deregime transitório. Neste caso, ou (i) utilizamos controladores mais complexos ou (ii) relaxamos as especificações (aumentando-se t s (5%), por exemplo). No primeiro caso, voltamos ao Passo 3 e projetamos um outro controlador avanço C AV2 (s) que é colocado em série com o já projetado C AV (s). 5 Projeto do controlador atraso de fase Suponha que as especificações de regime permanente são K v (constante de velocidade para sistema de Tipo 1) ou K a (constante de aceleração para sistemas de Tipo 2). Determine K v (ou K a ) de C AV (s)g(s). Relembre que (e K a = lim s 0 s 2 C AV (s)g(s)). K v = lim s 0 sc AV (s)g(s) Para que as especificações de regime permanente sejam atendidas, realizamos os seguintes passos: 1. Se K v K v (ou K a K a ), então o controlador C AV (s) projetado na seção anterior atende tanto as especificações de regime transitório quanto as de regime permanente. Neste caso, não há necessidade de utilizarmos um controlador atraso de fase, ou seja, C AT (s) = 1. 2. Caso contrário, defina α = K v K v (ou α = K a /K a ) (note que α > 1). Seja R (R < 0) a parte real de s d, onde s d é o pólo dominante em RD determinado na seção anterior. Para o controlador atraso de fase C AT (s) = s+z 2 s+p 2 = s+z 2 s+(z 2 /α), 5

escolhemos β > 0 (por exemplo, β = 10 ou β = 100) de modo que o zero z 2 = R β = 0 esteja próximo da origem. Observe que C AT (0) = α e que o pólo é p 2 = z 2 α. Note que, quando α = 1 (α não é muito grande), teremos praticamente um cancelamento pólozero. A consequência disto é que a dominância de s d será pouco afetada pela inclusão de C AT (s). Por sua vez, isto implica que o pólo e o zero de C AT (s) terão uma influência muito pequena no regime transitório em relação à referência (o qual já foi ajustado pelo C AV (s) da seção anterior). No entanto, o transitório para referências do tipo degrau geralmente apresenta uma cauda com decaimento relativamente lento. Em muitos casos, tal comportamento não acarreta em nenhum problema. Observação: Quando existirem perturbações externas W(s) na entrada de G(s) (não é na saída!), temos que o zero z 2 de C AT (s) não aparecerá na Função de Transferência Y(s)/W(s) = G(s)/(1 + C(s)G(s)). Portanto, a dinâmica de rejeição da perturbação em malha-fechada pode se tornar demasiadamente lenta. Um valor usual máximo para α é α max = 10 (α max depende de restrições práticas referentes à implementação de C AT (s)). Caso α > α max, devemos utilizar vários controladores atraso de fase em série ou então reprojetar o controlador avanço de fase C AV (s) de modo que K v (ou K a ) aumente. 6 Procedimentos Utilize o pacote rltool do Matlab para projetar controladores para os problemas abaixo com base no Lugar das Raízes. 1. Considere o processo de segunda ordem G(s) = 0.5 s(s+1) (a) Erro nulo em regime permanente para referências do tipo degrau (b) M p 5% e t s (5%) 8 s 2. Considere o processo de primeira ordem G(s) = 0.5 s+1 6

(a) Erro nulo em regime permanente 9 para referências do tipo degrau (b) Sem sobressinal na resposta dinâmica e t s (5%) 1.5 s Dica: faça um cancelamento pólo-zero. 3. Considere o processo de segunda ordem G(s) = 0.9 (s+3)(s+4) = 0.9 s 2 +7s+12 (a) Erro nulo em regime permanente para referências do tipo degrau (b) M p 10% e t s (5%) 1.75 s Dica: faça um cancelamento pólo-zero. 4. Repita o Item 2, mas agora considerando que existem perturbações na entrada de G(s). Dica: utilize um pré-filtro F(s). 5. Considere o processo de segunda ordem G(s) = 0.9 (s+2)(s+9) = 0.9 s 2 +6s+8 (a) Erro nulo em regime permanente para referências e perturbações na entrada do tipo degrau (b) M p 20% e t s (5%) 1.25 s Dica: utilize dois controladores avanço de fase em série. 6. Considere o processo de terceira ordem G(s) = 0.8 s(s+1)(s+2) = 0.8 s 3 +3s 2 +2s (a) Erro nulo em regime permanente para referências do tipo degrau (b) M p 5% e t s (5%) 5 s (c) K v 2 9 Para atender a essa especificação, acrescentamos um pólo em s = 0 em G(s). Isto equivale a colocarmos um controlador integral (I) em série com o processo. 7