1. Sinais de teste. 2. Sistemas de primeira ordem. 3. Sistemas de segunda ordem. Especificações para a resposta

Documentos relacionados
Desempenho de Sistemas de Controle Realimentados. 3. Efeitos de um terceiro pólo e um zero na resposta de um sistema de segunda ordem

Capítulo 2 Dinâmica de Sistemas Lineares

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

Controle de Processos Aula: Estabilidade e Critério de Routh

I Controle Contínuo 1

SC1 Sistemas de Controle 1. Cap. 5 Método do Lugar das Raízes Abordagem de Projetos Prof. Tiago S Vítor

Estabilidade de Sistemas Lineares Realimentados

Resumo. Sinais e Sistemas Transformada de Laplace. Resposta ao Sinal Exponencial

Métodos de Resposta em Freqüência

Aula 05 Transformadas de Laplace

Resposta dos Exercícios da Apostila

O Papel dos Pólos e Zeros

Fundamentos de Controle

VI. MÉTODO DO LUGAR GEOMÉTRICO DAS RAÍZES

R + b) Determine a função de transferência de malha fechada, Y (s)

ADL Sistemas de Segunda Ordem Subamortecidos

PROJETO DE CONTROLADORES A PARTIR DO PLANO S. critério Routh-Hurwitz análise de estabilidade análise de desempenho

Pólos, Zeros e Estabilidade

4.1 Pólos, Zeros e Resposta do Sistema

CAPÍTULO IX. Análise de Circuitos RLC

Universidade Federal do Rio de Janeiro COPPE Programa de Engenharia Química 2014/1

Método da Resposta da Freqüência

Resposta natural de circuitos RLC paralelo

CAPÍTULO Compensação via Compensador de Avanço de Fase

Estabilidade de sistemas de controle lineares invariantes no tempo

Erro em regime permanente em sistema de controle com

PID e Lugar das Raízes

Introdução aos Sinais e Sistemas

PMR3404 Controle I Aula 3

Fundamentos de Controlo

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA LUGAR DAS RAÍZES

Prof. Dr.-Ing. João Paulo C. Lustosa da Costa. Universidade de Brasília (UnB) Departamento de Engenharia Elétrica (ENE)

I Controle Contínuo 1

5 a LISTA DE EXERCÍCIOS

Questões para Revisão Controle

Resumo. Sinais e Sistemas Transformada de Laplace. Resposta ao Sinal Exponencial. Transformada de Laplace

Controle de Processos Aula: Atraso no tempo e obtenção de modelos empíricos

Capítulo 3. Função de transferência e dinâmicas dos sistemas (Parte D, continuação)

CAPÍTULO 6 Métodos expeditos de projeto

Aula 9. Carlos Amaral Cristiano Quevedo Andrea. UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná DAELT - Departamento Acadêmico de Eletrotécnica

Controle por Computador Parte II. 22 de novembro de 2011

ANÁLISE DO LUGAR DAS RAÍZES

Sinais e Sistemas Unidade 5 Representação em domínio da frequência para sinais contínuos: Transformada de Laplace

Sinais e Sistemas Unidade 5 Representação em domínio da frequência para sinais contínuos: Transformada de Laplace

Transformadas de Laplace Engenharia Mecânica - FAENG. Prof. Josemar dos Santos

CAPÍTULO 7 Projeto usando o Lugar Geométrico das Raízes

Introdução Diagramas de Bode Gráficos Polares Gráfico de Amplitude em db Versus Fase. Aula 14. Cristiano Quevedo Andrea 1

Sistemas de Controle 2

RESPOSTA EM FREQUÊNCIA: CONTROLADOR AVANÇO E ATRASO DE FASE (LEAD-LAG) OGATA

Melhoramos a resposta temporal associando um compensador de avanço de fase que contribui com

COMPARAÇÃO DE CONTROLADOR PID COM GANHO VARIANTE NO TEMPO E CONTROLADOR PID COM GANHO FIXO. Juan Carlos Pereira de Oliveira

ERRO EM REGIME PERMANENTE

EN2607 Transformadas em Sinais e Sistemas Lineares Lista de Exercícios Suplementares 3 3 quadrimestre 2012

Aula 4 Respostas de um SLIT

Fundamentos de Controle

Critério de Estabilidade: Routh-Hurwitz

PMR3404 Controle I Aula 2

SISTEMAS DE CONTROLE II

SCS Sistemas de Controle / Servomecanismos. Aula 04 Diagrama do lugar geométrico das raízes

Modelos Matemáticos de Sistemas

Controladores: Proporcional (P) Proporcional e Integral (PI) Proporcional, Integral e Derivativo (PID)

Sinais e Sistemas. Tempo para Sistemas Lineares Invariantes no Tempo. Representações em Domínio do. Profª Sandra Mara Torres Müller.

Aula 11. Cristiano Quevedo Andrea 1. Curitiba, Outubro de DAELT - Departamento Acadêmico de Eletrotécnica

Métodos de Resposta em Freqüência

Métodos Matemáticos para Engenharia

Introdução aos Sinais e Sistemas

5 Descrição entrada-saída

Transformada de Laplace. Definição. O processo inverso de obter a função temporal f(t) a partir da

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

Compensadores: projeto no domínio da

Programa de engenharia biomédica. Princípios de instrumentação biomédica cob 781

Análise de Sistemas em Tempo Discreto usando a Transformada Z

Teoria do Controlo. Síntese de controladores. Controladores PID MIEEC

RESPOSTA EM FREQUÊNCIA: DIAGRAMA DE BODE

Estabilidade no Domínio da Freqüência

PMR3404 Aula 1. Introdução os sistemas de controle. Newton Maruyama 10 de março de 2017 PMR-EPUSP

Estabilidade. 1. Estabilidade Entrada-Saída Sistemas LIT. 2. Estabilidade BIBO Sistemas LIT. 3. Estabilidade BIBO de Equações Dinâmicas Sistemas LIT

O processo de filtragem de sinais pode ser realizado digitalmente, na forma esquematizada pelo diagrama apresentado a seguir:

Aula 7: Sintonia de controladores PID

B. A. Angelico, P. R. Scalassara, A. N. Vargas, UTFPR, Brasil

SC1 Sistemas de Controle 1. Cap. 2 - Estabilidade Prof. Tiago S Vítor

Professor Msc. Leonardo Henrique Gonsioroski

AMORTECIMENTOS SUBCRÍTICO, CRÍTICO E

EES-49/2012 Resolução da Prova 3. 1 Dada a seguinte função de transferência em malha aberta: ( s 10)

Método de Margem de Ganho

Sistemas de Controle 1

Análise de Sistemas LTI através das transformadas

ANÁLISE DE SINAIS DINÂMICOS

Anotações Aula de Modelagem 8/9/2009. Profa. Ninoska Bojorge. Energia. Produto PROCESSO. Produto Final. Matéria-Prima.

J. A. M. Felippe de Souza 10 Estabilidade. 10 Estabilidade

Universidade Federal do Rio de Janeiro. Circuitos Elétricos I EEL 420. Módulo 9

Controle de Processos Aula: Sistema em malha fechada

O método do lugar das raízes

Análise de Sistemas no Domínio da Freqüência. Diagrama de Bode

Transformada de Laplace. Transformada de Laplace (CP1) DEQ/UFSCar 1 / 76

Pontifícia Universidade Católica de Goiás Escola de Engenharia. Aluno (a): Aula Laboratório 11 Cap 6 Estabilidade

Técnicas de Desenho de Filtros Digitais

As Oscilações estão presentes no nosso dia a dia como o vento que balança uma linha de transmissão elétrica, as vibrações da membrana de um

Erro de Estado Estacionário

PSI.3031 LABORATÓRIO DE CIRCUITOS ELETRICOS INTRODUÇÃO TEÓRICA EXPERIÊNCIA 10: REDES DE SEGUNDA ORDEM

Transcrição:

Desempenho de Sistemas de Controle Realimentados 1. Sinais de teste. Sistemas de primeira ordem 3. Sistemas de segunda ordem Especificações para a resposta Fernando de Oliveira Souza pag.1 Engenharia de Controle Aula 4

Desempenho de Sistemas Realimentados A resposta temporal de um sistema de controle é dividida em duas partes: a resposta transitória, y t (t), e a resposta em regime permanente ou em estado estacionário ( steady-state ), y( ): y(t) = y t (t) + y( ) Fernando de Oliveira Souza pag. Engenharia de Controle Aula 4

Desempenho de Sistemas Realimentados A resposta transitória é definida como a parte da resposta que tende a zero quando o tempo tende a infinito: lim y t(t) = 0 t A resposta em estado estacionário é a parte da resposta que permanece quando a resposta transitória iguala a zero, podendo ser constante ou podendo ser um sinal que varia no tempo com padrão constante. Fernando de Oliveira Souza pag.3 Engenharia de Controle Aula 4

Desempenho de Sistemas Realimentados Especificações de Desempenho? Pode-se incluir vários índices de resposta temporal para uma entrada de comando específica bem como uma precisão em regime permanente esperado Especificações concorrentes? No geral sim... O que fazer? Compromisso entre características desejadas que é obtido após ajustes sucessivos Fernando de Oliveira Souza pag.4 Engenharia de Controle Aula 4

Sinais de Teste Impulso Unitário, δ(t) Propriedades δ(t)dt = 1 e g(t τ)δ(τ)dτ = g(t) Considerando um diagrama de bloco padrão com entrada r(t) = δ(t) r(t) R(s) g(t) G(s) y(t) = t 0 Y (s) = G(s)R(s) g(t τ)r(τ)dτ então a integral tem um valor apenas em τ = 0 e portanto y(t) = g(t), sendo g(t) (G(s)) a resposta impulsiva Fernando de Oliveira Souza pag.5 Engenharia de Controle Aula 4

Degrau r(t) = Sinais de Teste A t > 0 0 t < 0 R(s) = A/s Rampa r(t) = At t > 0 0 t < 0 R(s) = A/s Parabólica r(t) = At / t > 0 0 t < 0 R(s) = A/s 3 Fernando de Oliveira Souza pag.6 Engenharia de Controle Aula 4

Sinais de Teste 1.8 1.6 R(s) = 1 s 1.4 r(t) 1. 1 R(s) = 1 s 0.8 0.6 0.4 0. R(s) = 1 s 3 0 0 0. 0.4 0.6 0.8 1 1. 1.4 1.6 1.8 Tempo Fernando de Oliveira Souza pag.7 Engenharia de Controle Aula 4

Desempenho de Sistemas de Primeira Ordem Considere um sistema modelado por equações diferenciais ordinárias (ODEs), então sua função de transferência é dada pela razão de dois polinômios G(s) = Y (s) R(s) polos: s tal que R(s) = 0 Zeros: s tal que Y (s) = 0 G(s) = 0 polos e Zeros caracterizam G(s), exceto por uma constante de ganho. Fernando de Oliveira Souza pag.8 Engenharia de Controle Aula 4

Desempenho de Sistemas de Primeira Ordem G(s) = Y (s) R(s) = k s + a Para uma entrada tipo impulso unitário, a saída do sistema é Y (s) = G(s)R(s) = k s + a 1 L 1 {Y (s)} = L 1 {G(s)} = h(t) = ke at Fernando de Oliveira Souza pag.9 Engenharia de Controle Aula 4

Desempenho de Sistemas de Primeira Ordem h(t) = ke at Para a > 0, polo no SPE sistema estável Para a < 0, polo no SPD sistema instável Para a = 0, polo no eixo jω sistema BIBO instável Fernando de Oliveira Souza pag.10 Engenharia de Controle Aula 4

Desempenho de Sistemas de Primeira Ordem h(t) = ke at Para a > 0, polo no SPE sistema estável Para t = τ = 1/a, então h(τ) = ke a1/a = 0,3679k O transitório atinge 36,79% de seu valor em t = τ. τ: constante de tempo. Fernando de Oliveira Souza pag.11 Engenharia de Controle Aula 4

Desempenho de Sistemas de Primeira Ordem 1k 0,9k 0,8k ke at h(t) 0,7k 0,6k 0,5k τ = 1/a 0,4k 0,3k k/e = 0,3679k 0,k 0,1k 0 0 0,5τ 1τ 1,5τ τ,5τ 3τ 3,5τ 4τ t Fernando de Oliveira Souza pag.1 Engenharia de Controle Aula 4

Desempenho de Sistemas de Primeira Ordem Para uma entrada tipo degrau unitário: ( ) k 1 Y (s) = G(s)R(s) = s + a s = k/a s k/a s + a y(t) = L 1 {Y (s)} = k a (1 e at ) Para a > 0, polo no SPE sistema estável Para t = τ = 1/a, então y(τ) = k/a[1 e a1/a ] = 0,631k/a O transitório atinge 63,1% de seu valor em t = τ. Fernando de Oliveira Souza pag.13 Engenharia de Controle Aula 4

Desempenho de Sistemas de Primeira Ordem y(t) inclinação = 1/τ k/a 95,0% 98,% 99,3% 0,75k/a 0,63k/a 0,5k/a 63,% 0,5k/a 0 τ τ 3τ 4τ 5τ t Fernando de Oliveira Souza pag.14 Engenharia de Controle Aula 4

Desempenho de Sistemas de Primeira Ordem G(s) = k s + a Para a > 0, polo no SPE sistema estável τ = 1/a: constante de tempo G(s) = k s + 1/τ Fernando de Oliveira Souza pag.15 Engenharia de Controle Aula 4

Exercício Determine a função de transferência do sistema com resposta ao degrau abaixo 1 Resposta ao degrau 0.9 0.8 0.7 Amplitude 0.6 0.5 0.4 0.3 0. 0.1 0 0 0.5 1 1.5.5 3 Tempo (s) Fernando de Oliveira Souza pag.16 Engenharia de Controle Aula 4

Exercício Solução: G(s) = s + Fernando de Oliveira Souza pag.17 Engenharia de Controle Aula 4

Desempenho de Sistemas de Segunda Ordem Exemplo Considere o sistema de segunda ordem s + 1 (s + 1/) G(s) = = s + 3s + (s + 1)(s + ) = 1 s + 1 + 3 s + g(t) = L 1 {G(s))} = e t + 3e t polo s = é mais rápido que o polo s = 1 O numerador de G(s) influência no coeficiente de cada componente Fernando de Oliveira Souza pag.18 Engenharia de Controle Aula 4

Desempenho de Sistemas de Segunda Ordem Considere H(s) = N(s) D(s) um sistema de segunda ordem com polos complexos definidos como então s = σ ± jω d D(s) = (s+σ jω d )(s+σ+jω d ) = (s+σ) +ω d Fernando de Oliveira Souza pag.19 Engenharia de Controle Aula 4

Desempenho de Sistemas de Segunda Ordem H(s) = N(s) D(s) = N(s) (s + σ) + ω d Sistema de segunda ordem tipicamente estudado: logo, G(s) = ω n s + ζω n s + ω n σ = ζω n e ω d = ω n 1 ζ ω n : frequência natural não-amortecida ζ: coeficiente de amortecimento Fernando de Oliveira Souza pag.0 Engenharia de Controle Aula 4

Desempenho de Sistemas de Segunda Ordem polo no Plano- s 1 0.8 θ 0.6 Eixo imaginário 0.4 0. 0 0. s = σ ± jω d σ = ζω n ω d ω n σ 0.4 θ = sen 1 (ζ) ζ = sen(θ) 0.6 ω d = ω n 1 ζ 0.8 1 1.8 1.6 1.4 1. 1 0.8 0.6 0.4 0. 0 Eixo real Fernando de Oliveira Souza pag.1 Engenharia de Controle Aula 4

Desempenho de Sistemas de Segunda Ordem σ = ζω n e ω d = ω n 1 ζ pólo X jω Plano - S cos 1 (ζ) = θ ω n ω = ω 1 ζ d n α = ζω n σ Fernando de Oliveira Souza pag. Engenharia de Controle Aula 4

Desempenho de Sistemas de Segunda Ordem Resposta ao Impulso de um sistema de segunda ordem G(s) = ω n s + ζω n s + ω n = ω n (s + ζω n ) + ω n (1 ζ ) g(t) = L 1 {G(s))} ω n = 1 ζ e ζω nt sen(ω n 1 ζ t), t 0 Fernando de Oliveira Souza pag.3 Engenharia de Controle Aula 4

Desempenho de Sistemas de Segunda Ordem Resposta ao Impulso de um sistema de segunda ordem g(t) = ω n 1 ζ e ζω nt sen(ω n 1 ζ t), Para ζ = 0: g(t) = ω n sen(ω n t), t 0 Sistema não-amortecido Fernando de Oliveira Souza pag.4 Engenharia de Controle Aula 4

Desempenho de Sistemas de Segunda Ordem Resposta ao Impulso de um sistema de segunda ordem g(t) = ω n 1 ζ e ζω nt sen(ω n 1 ζ t), Para 0 < ζ < 1: Sistema subamortecido Fernando de Oliveira Souza pag.5 Engenharia de Controle Aula 4

Desempenho de Sistemas de Segunda Ordem Resposta ao Impulso de um sistema de segunda ordem G(s) = Para ζ = 1: ω n (s + ζω n ) + ω n (1 ζ ) G(s) = ω n (s + ω n ) g(t) = L 1 {G(s))} = ω n te ω nt Sistema criticamente amortecido Fernando de Oliveira Souza pag.6 Engenharia de Controle Aula 4

Desempenho de Sistemas de Segunda Ordem Resposta ao Impulso de um sistema de segunda ordem Para ζ > 1: G(s) = ω n s + ζω n s + ω n G(s) = ω n (s + ζω n + jω n 1 ζ )(s + ζω }{{} n jω n 1 ζ ) }{{} Real Real g(t) = L 1 {G(s))} = composição de duas exponenciais reais Sistema sobre amortecido Fernando de Oliveira Souza pag.7 Engenharia de Controle Aula 4

Desempenho de Sistemas de Segunda Ordem Resposta ao Impulso de um sistema de segunda ordem Para ζ < 0: G(s) = ω n s + ζω n s + ω n G(s) = ω n (s + ζω n + jω n 1 ζ )(s + ζω n jω n 1 ζ ) s > 0: Sistema instável Fernando de Oliveira Souza pag.8 Engenharia de Controle Aula 4

Desempenho de Sistemas de Segunda Ordem O sistema de segunda ordem pode ser classificado de acordo com o valor de ζ que define o tipo dos polos do sistema: ζ = 0 p 1,p =±jω n não-amortecido 0 < ζ < 1 p 1,p = ζω n ±jω n 1 ζ subamortecido ζ = 1 p 1 = p = ω n ζ > 1 p 1,p = ζω n ±ω n ζ 1 criticamente amortecido sobre amortecido ζ < 0 p 1,p = ζω n ±jω n 1 ζ }{{} α±jω d instável ( ζω n > 0) Fernando de Oliveira Souza pag.9 Engenharia de Controle Aula 4

Desempenho de Sistemas de Segunda Ordem 1 Resposta ao Impulso 0.8 ζ = 0 0.6 0.4 g(t) 0. 0 ζ = 1. 0. 0.4 0.6 0.8 1 0 4 6 8 10 1 ω n t Fernando de Oliveira Souza pag.30 Engenharia de Controle Aula 4

Resposta do Sistemas de Segunda Ordem Resposta ao degrau unitário y(t) 1.8 ζ = 0,1 ζ = 0, ζ = 0 1.6 1.4 ζ = 0,4 ζ = 0,7 1. 1 0.8 0.6 0.4 0. ζ = ζ = 1 0 0 4 6 8 10 1 ω t n Fernando de Oliveira Souza pag.31 Engenharia de Controle Aula 4

Localização das Raízes no Plano-s Resposta Transitória j 1 1 1 1 1 0 0 1 t Fernando de Oliveira Souza pag.3 Engenharia de Controle Aula 4

Especificações de Resposta Transitória 1. tempo de subida t r ( rise time ): é o tempo necessário para a sinal de saída variar de 10% a 90% do valor final (ou para sistemas subamortecidos de 0% a 100%). tempo de acomodação t a ( settling time t s ): é o tempo gasto para o sinal acomodar na faixa de ±% a ±5%) do valor final 3. sobre-sinal máximo percentual M p ( overshoot ): diferença entre o valor máximo de pico atingido e o valor final em percentual do valor final 4. tempo do primeiro pico t p : instante de tempo em que ocorre o sobre-sinal máximo do sinal 5. tempo de atraso t d ( delay time ): é o tempo para o sinal alcançar 50% do valor final Fernando de Oliveira Souza pag.33 Engenharia de Controle Aula 4

Especificações de Resposta Transitória 1.4 1.05 1 0.95 0.9 M p e ss y(t) t r 0.5 0.1 0 td t s t Fernando de Oliveira Souza pag.34 Engenharia de Controle Aula 4

Especificações de Resposta Transitória Tempo de Subida: t r Considere: G(s) = com ζ = 0,5 ω n s + ζω n s + ω n Pode-se observar que: t r 1,8 ω n Fernando de Oliveira Souza pag.35 Engenharia de Controle Aula 4

Especificações de Resposta Transitória Resposta ao Degrau de um sistema de segunda ordem G(s) = Y (s) R(s) = ω n s + ζω n s + ω n Y (s) = y(t) = L 1 {Y (s))} = 1 e ζω nt ω n s + ζω n s + ω n 1 s ( cos(ω d t) + σ ) sen(ω d t) ω d ω d = ω n 1 ζ Tempo de acomodação definido por: e ζω nt Fernando de Oliveira Souza pag.36 Engenharia de Controle Aula 4

Especificações de Resposta Transitória 4 e ζω nt cos(ω d t) ζ > 0 0 t 4 e ζω nt 10 5 0 5 10 15 0 5 30 4 e ζω nt σ ω d sen(ω d t) ζ > 0 0 t 4 e ζω nt 10 5 0 5 10 15 0 5 30 Fernando de Oliveira Souza pag.37 Engenharia de Controle Aula 4

Especificações de Resposta Transitória Tempo de Acomodação: t a Veja que se convencionar % para tolerância no tempo de acomodação, t a, a envoltória da resposta é então limitada por e ζω nt a < 0,0 t a = 4τ = 4 ζω n Fernando de Oliveira Souza pag.38 Engenharia de Controle Aula 4

Especificações de Resposta Transitória Sobre sinal e Tempo de Pico M p e t p são calculados no ponto máximo de y(t) e são especificados em termos de ζ portanto basta considerar dy(t) = 0... para encontrar y max (t) dt Definindo: β = 1 ζ Fernando de Oliveira Souza pag.39 Engenharia de Controle Aula 4

Especificações de Resposta Transitória dy(t) dt = 1 β ζω ne ζω nt [βcos(ω n βt) + ζsen(ω n βt)] + 1 β β ω n sen(ω n βt)e ζω nt 1 β ζω nβcos(ω n βt)e ζω nt = ( 1 β ζ ω n + βω n ) e ζω nt sen(ω n βt) = ζ ω n + (1 ζ )ω n β = ω n β e ζω nt sen(ω n βt) e ζω nt sen(ω n βt) Fernando de Oliveira Souza pag.40 Engenharia de Controle Aula 4

Especificações de Resposta Transitória Então dy(t) dt = ω n β e ζω nt sen(ω n βt) = 0 Logo para que dy/dt = 0, sen(ω n βt) = 0... E isto ocorre no tempo de pico... ω n βt p = π t p = π ω n 1 ζ Fernando de Oliveira Souza pag.41 Engenharia de Controle Aula 4

Especificações de Resposta Transitória Do mesmo modo, veja que a sobre-elevação máxima ocorre exatamente no instante do tempo de pico, t p, logo y max (t) = 1 1 β e ζω nt p [βcos(ω n βt p ) + ζsen(ω n βt p )] M = 1 1 β e ζω nt p [βcos(ω n βt p ) + ζsen(ω n βt p )] 1 = 1 β e ζω n ωn π 1 ζ [βcos(π) + ζsen(π)] M = e ζπ/ 1 ζ M p = 100e ζπ/ 1 ζ (%) Fernando de Oliveira Souza pag.4 Engenharia de Controle Aula 4