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CONTROLE CONTÍNUO AULA 3 Prof. Samuel Polato Ribas 2 CONVERSA INICIAL Nesta parte da disciplina, serão estudados os sistemas de 1ª e 2ª ordens. Todo sistema pode ter seu funcionamento dividido em duas partes: a primeira parte, referente ao regime transitório, é a variação entre o início do funcionamento do circuito e o valor final que ele atinge. A segunda parte, referente ao estado estacionário, estuda o comportamento do sistema após ele atingir o valor final. Além disso, será estudada a relação entre o sinal atingido em regime permanente e o valor que deveria ser atingido, ou seja, como é realizada a análise do erro do sistema. Por fim, serão estudados métodos para analisar a estabilidade do sistema, ou seja, se o sistema vai ser funcional ou não. Vale ressaltar que o fato de ser funcional não significa que o resultado atingido será satisfatório. TEMA 1 – ANÁLISE TRANSITÓRIA E DE REGIME PERMANENTE DE SISTEMAS DE 1ª ORDEM Nesta seção, será realizado um estudo da resposta transitória e da resposta em regime permanente de sistemas de controle, plantas ou processos. Na análise da reposta transitória, estuda-se o comportamento de sistemas de 1ª e 2ª ordens. Os sistemas de ordem superior são considerados como sendo a composição das respostas de sistemas de 1ª e 2ª ordens. Para a análise do comportamento desses tipos de sistema, normalmente utilizam-se os sinais de entrada mostrados na Tabela 1. Tabela 1 – Sinais utilizados para análise da resposta transitória Entrada Função de transferência Gráfico no tempo Degrau unitário s sF 1 3 Rampa 2 1 s sF Impulso 1sF Para compreender a análise transitória de um sistema de 1ª ordem, deve- se conhecer o formato da sua função de transferência. Esse tipo de sistema pode ser representado por uma função de transferência na forma As B sX sY sG (1) ou 1 s K sG (2) Considerando uma entrada do tipo degrau unitário a partir de t = 0, tem- se a resposta mostrada na Figura 1. Figura 1 – Resposta de um sistema de 1ª ordem a uma entrada do tipo degrau unitário Matematicamente, a saída do sistema da Figura 1 no domínio da frequência Y(s) é dada por 4 As B s sY 1 (3) Aplicando a transformada inversa de Laplace à equação (3), tem-se que Ate A B ty 1 (4) Graficamente, a saída y(t) é apresentada na Figura 2. Na Figura 2, a relação B/A da equação (4) é igual a 1. Note que essa relação define o valor final do sinal. Perceba ainda que o eixo horizontal, do tempo, é definido em função do polo da função de transferência, representado por A. Note ainda que são destacados os valores de amplitude referentes a 1/A, 2/A e 3/A. Essas relações são chamadas de constante de tempo da função de transferência, em que 1/A é o tempo da primeira constante de tempo, 2/A é o tempo da segunda constante de tempo, e 3/A é o valor da terceira constante de tempo. Figura 2 – Resposta detalhada no domínio do tempo de um sistema de 1ª ordem a uma entrada do tipo degrau unitário Isso significa que 63% do valor final de saída é atingido na primeira constante de tempo, 86%, na segunda constante de tempo, e 95% do valor final, na terceira constante de tempo. 5 Para fins de estudo, considera-se que o sinal de saída atinge o valor de final a partir da terceira constante de tempo. Este tempo é chamado de tempo de acomodação, Ta, e é dado por PoloA Ta 33 (5) Nesse instante, a resposta atinge 95% do valor final, sendo que esse valor já pode ser considerado o valor final. Assim, com base nas Equações 4 e 5, e sabendo que a forma da função de transferência de 1ª ordem é como mostrada na Equação 1, é possível realizar a análise do comportamento transitório da reposta de um sistema de 1ª ordem. Para a determinação do valor da saída em regime permanente, ou seja, após o término do regime transitório, basta fazer o uso do teorema do valor final. Esse teorema fornece o valor final da saída de um sistema a partir da sua função de transferência e do tipo de entrada a que ele é submetido. Tal teorema é dado por As B sXsimlty s 0 (6) Note que o teorema do valor final resulta em um valor no domínio do tempo, quando o tempo tende ao infinito (y(t→∞), y quando t tende ao infinito), ou seja, garante que todo o regime transitório já terminou. Também é possível obter a função de transferência de um sistema de 1ª ordem conhecendo informações a respeito de seu comportamento transitório, a partir de uma entrada do tipo degrau unitário, e de seu valor em regime permanente, obtido a partir do teorema do valor final. Como exemplo, considere que um sistema de 1ª ordem foi submetido a uma entrada do tipo degrau unitário e obteve como resposta um valor em regime permanente igual a 0,72, e a primeira constante de tempo teve uma duração de 0,13s. Assim, sabe-se que 69,7 1 13,0 A A (7) Do teorema do valor final, dado pela Equação 6, tem-se que 6 53,572,0 69,7 69,7 1 0 B B s B s simlty s (8) Assim, conhecendo os coeficientes B e A da função de transferência da Equação 1, tem-se que 69,7 53,5 s sG (9) TEMA 2 – ANÁLISE TRANSITÓRIA E DE REGIME PERMANENTE DE SISTEMAS DE 2ª ORDEM Os sistemas de 2ª ordem são mais complexos que os sistemas de 1ª ordem pelo fato de apresentarem um polo a mais que um sistema de 1ª ordem. Um sistema de 2ª ordem na forma-padrão é descrito pela função de transferência dada por 22 2 2 nn n sssX sY (10) sendo ωn a frequência natural de oscilação, em rad/s, e ζ o coeficiente de amortecimento. Lembre que os polos de uma função de transferência são os valores de s que fazem com que o valor da função de transferência tenda ao infinito, ou seja, são os valores de s que zeram o polinômio do denominador. Pelo fato de o denominador de um sistema de 2ª ordem possuir duas raízes, há quatro possibilidades para os seus valores: podem ser reais puros com valores diferentes, reais puros com valores iguais, imaginários puros ou complexos conjugados. A posição dos polos, representados no plano complexo (com eixos real e imaginário), vai definir o comportamento da saída do sistema frente a uma entrada do tipo degrau unitário. Nesse quesito, os sistemas de 2ª ordem podem ser classificados como superamortecido, criticamente amortecido, subamortecido e oscilatório. 7 A Tabela 2 apresenta exemplos de função de transferência, a posição dos polos no plano complexo e o comportamento da saída frente a uma resposta do tipo degrau unitário para cada tipo de sistema de 2ª ordem. Note que na Tabela 2 são apresentados exemplos de sistemas de 2ª ordem superamortecido, criticamente amortecido, subamortecido e criticamente amortecido. Tabela 2 – Exemplos de sistemas de 2ª ordem Sistema Localização dos polos Resposta ao degrau Superamorteci do 99 9 2 ss sG Criticamente Amortecido 96 9 2 ss sG Subamortecido 92 9 2 ss sG Oscilatório 9 9 2 s sG No sistema superamortecido, os polos são reais e com valores diferentes, e a resposta do sistema frente a uma entrada do tipo degrau não apresenta 8 sobressinal. Entenda-se por sobressinal o valor da saída que ultrapassa o valor final da saída. No sistema criticamente amortecido, os polos são reais e de mesmo valor. Além disso, perceba que a resposta do sistema a uma entrada do tipo degrau é semelhante à do sistema criticamente amortecido, porém atinge o valor final mais rapidamente. No sistema subamortecido, os polos são complexos conjugados, e é possível perceber a presença de um sobressinal na resposta dosistema. Note ainda que existe uma ondulação em torno do valor final antes de convergir para o valor final. Já no sistema oscilatório, os polos encontram-se exatamente sobre o eixo imaginário do plano complexo, ou seja, são imaginários puros. Note ainda que a resposta do sistema não converge para um valor, comportando-se de forma oscilatória durante todo o tempo de funcionamento do sistema. Os sistemas apresentados na Tabela 2 também podem ser identificados pelo valor do seu coeficiente de amortecimento, ζ. A Tabela 3 apresenta o valor característico de ζ para cada tipo de sistema. Tabela 3 – Coeficiente de amortecimento para sistemas de 2ª ordem Tipo do sistema Coeficiente de amortecimento Oscilatório ζ = 0 Subamortecido 0 < ζ < 1 Criticamente amortecido ζ = 1 Superamortecido ζ > 1 Nas respostas da entrada do tipo degrau unitário mostradas na Tabela 2, nota-se que a resposta referente ao sistema subamortecido é a que apresenta maior variação de comportamento entre o valor inicial e o valor final. Por esse motivo, é viável caracterizarmos a resposta desse tipo de sistema para uma melhor compreensão do seu comportamento transitório. Considerando a função de transferência característica de um sistema de 2ª ordem mostrado na equação (10), os polos do sistema são dados por 2 222 22 nnn Polos (11) Considerando um sistema com resposta subamortecida, tem-se 9 d nn js js 21 (12) sendo ;n 21 nd (13) Portanto, a representação dos polos no plano complexo pode ser feita como mostrado na Figura 3. Figura 3 – Posição dos polos de um sistema de 2ª ordem subamortecido no plano complexo Analisando em mais detalhes a resposta do sistema a uma entrada do tipo degrau unitário, como a mostrada na Tabela 2, é possível destacar alguns pontos de maior relevância, como mostrado na Figura 4. Figura 4 – Resposta de um sistema de 2ª ordem a uma entrada do tipo degrau 10 Na Figura 4, o sobressinal indica o valor que a saída atingiu acima do seu valor de regime permanente. Este valor pode ser expresso em termos percentuais. O tempo de rampa é o tempo que a saída leva para atingir o valor final pela primeira vez, mesmo que após atingi-lo ultrapasse o valor. O tempo de pico é o tempo que a resposta leva para atingir o valor de pico. Por fim, o tempo de acomodação é o tempo que o sistema leva para atingir o valor de regime permanente. Considera-se que este tempo é atingido quando, a partir dele, a resposta não sofrer variação percentual acima de 5% do valor final. O cálculo do sobressinal é realizado fazendo 21 eMP (14) O tempo de pico é dado por dn TP 21 (15) Já o tempo de acomodação é dado pela equação n TA 3 (16) Vale ressaltar que as Equações 14, 15 e 16 são válidas apenas para sistemas de 2ª ordem subamortecidos. Para a análise do regime permanente de sistemas de 2ª ordem, independente do tipo de sistema, basta utilizar o teorema do valor final, mostrado 11 na Equação 6. Portanto, o teorema do valor final é uma ferramenta para análise de regime permanente para sistemas de 1ª e 2ª ordens. TEMA 3 – ERRO EM REGIME PERMANENTE E SENSIBILIDADE Neste tema, será realizada a análise do erro em regime permanente, também chamado de erro estacionário. Considere o diagrama de blocos mostrado na Figura 5, em que C(s) representa a função de transferência do controlador e G(a), a função de transferência da planta. Figura 5 – Exemplo de diagrama de blocos em malha fechada O sinal de erro é definido como sendo a diferença entre o sinal de entrada e o sinal de saída, dado por sYsXsE (17) Para que haja a atuação do sistema de controle, é necessário que exista o sinal de erro. Entretanto, é desejável que seu valor em regime permanente seja o menor possível. Para determinar o erro em regime permanente, é possível lançar mão do teorema do valor final. Adaptando-o para o cálculo do erro, tem-se sYsXssEste ss 00 limlim (18) Aplicando a fórmula da função de transferência em malha fechada ao sistema da Figura 5, tem-se sGsC sGsC sXsY 1 (19) Agora, substituindo a Equação 19 na Equação 17, tem-se sGsC sGsC sXsXsE 1 (20) 12 Trabalhando matematicamente a Equação 17, chega-se em sGsC sXsE 1 1 (21) Se substituirmos a Equação 21 na Equação 17, chega-se em sGsC sXste s 1 1 lim 0 (22) Note que o produto C(s)G(s) na Equação 22 é equivalente à função de transferência direta (FTD) do sistema. Portanto, é válido escrever que FTD sXste s 1 1 lim 0 (23) Entretanto, perceba que o diagrama de blocos da Figura 5 não apresenta nenhum tipo de distúrbio ou variação. Porém, é perfeitamente aceitável considerar que na prática existem variações na planta devido a interferência externa ou variação de parâmetros da planta. Assim, é possível redesenhar o diagrama de blocos da Figura 5 com a inclusão de um sinal D(s), referente a um distúrbio externo à planta, o que resulta no diagrama de blocos da Figura 6. Figura 6 – Exemplo de diagrama de blocos em malha fechada sob ação de um distúrbio Do diagrama de blocos da Figura 6, obtém-se a equação sGsDsGsCsEsY (24) Note que a Equação 17 também é válida para a Figura 6. Portanto ela pode ser reescrita na forma sEsXsY (25) Agora substituindo a Equação 25 na Equação 24, tem-se 13 sGsDsGsCsEsEsX (26) Trabalhando matematicamente a Equação 26, chega-se em sGsD sGsC sX sGsC sE 1 1 )( 1 1 (27) Aplicando o teorema do valor final à Equação 27 para a determinação do erro, tem-se que sGsD sGsC s sX sGsC s ssEte sss 1 lim)( 1 limlim 000 (28) Note que na Equação 28, o erro em regime permanente é função do distúrbio a que o sistema fica sujeito. Na prática, todo sistema pode ficar sujeito a perturbações e a variações dos parâmetros da planta. Ao se obter o modelo matemático de um sistema físico, independente da sua natureza (elétrico, mecânico, térmico, por exemplo), considera-se que os parâmetros são conhecidos invariantes no tempo. Entretanto, tais parâmetros podem sofrer alterações de valores devido a vários fatores. Como exemplo, vamos citar um resistor. Sabe-se que o resistor é um elemento cuja resistência varia com a temperatura. Em um indutor, por exemplo, a sua indutância varia em função da corrente que passa por ele, e um capacitor altera a sua capacitância em função da frequência do sinal a que ele fica sujeito. Essas alterações podem levar o sistema a apresentar valores que não condizem com os valores considerados nos cálculos, justamente devido à variação paramétrica a que estão sujeitos. Existem sistemas que são mais susceptíveis a estas variações e outros que são menos. A esse índice dá-se o nome de sensibilidade paramétrica, a qual fornece uma medida do efeito que uma variação de parâmetros causa no valor de saída de um sistema. A sensibilidade paramétrica pode ser definida como a alteração que um sinal sofre em relação à variação de um parâmetros. Em um sistema em malha fechada, como mostrado na Figura 5, a sensibilidade do sistema como um todo em função de variações paramétricas da planta é dado por sGsC S sG sG f 1 1 (29) 14 TEMA 4 – ANÁLISE DE ESTABILIDADE PELA POSIÇÃO DOS POLOS Nesta seção, vamos estudar um dos critérios de estabilidade de sistemas de controle, que é o critério baseado na posição dos polos da função de transferência. Vale ressaltar que essecritério é válido para plantas e processos em malha aberta e malha fechada. Quando um sistema diz-se estável, significa que a sua saída tende a um valor finito, respeitando as limitações físicas da planta. Um sistema instável é aquele em que a saída tende ao infinito ou quando não é suportado fisicamente pela planta. O critério de estabilidade pela posição dos polos estabelece que uma planta, um processo ou um sistema é estável se todos os seus polos estiverem localizados à esquerda do plano complexo. O fato de haver apenas um polo do lado direito do plano complexo resulta em instabilidade ao sistema. Para ilustrar a análise de estabilidade por esse critério, considere o diagrama de blocos mostrado na Figura 7. Figura 7 – Exemplo de sistema em malha fechada para análise de estabilidade Aplicando a equação para a obtenção da função de transferência em malha fechada, obtém-se 52 1 2 sssX sY (30) Aplicando a fórmula de Bhaskara ao polinômio da Equação 30, tem-se 21 js (31) No plano complexo, os polos ficam como mostrados na Figura 8 15 Figura 8 – Posição dos polos no plano complexo da função de transferência da equação (30) Perceba que a parte real dos polos é negativa, portanto posicionada à esquerda do plano complexo, caracterizando a estabilidade do sistema. No exemplo ilustrativo, foi representado um sistema de 2ª ordem subamortecido. Entretanto, o critério de estabilidade de acordo com a posição dos polos vale para os outros sistemas de 2ª ordem, apresentados na Tabela 2, e também para sistemas de 1ª ordem. Resumindo, independente da ordem do sistema, todos os polos devem estar posicionados do lado esquerdo do plano complexo. Vale ressaltar que uma planta pode possuir um ou mais polos no lado direito do plano complexo em malha aberta, e, após o fechamento da malha, esses polos podem migrar para o lado esquerdo do plano complexo, tornando o sistema estável. Em outras situações, a planta pode ser instável em malha aberta e em malha fechada, necessitando assim da inclusão de compensadores que eliminem o efeito dos polos localizados no lado direito do plano complexo. É válido ressaltar também que a presença de zeros da função de transferência no lado direito do plano complexo não afeta a estabilidade do sistema. Note ainda que a estabilidade ou instabilidade de um sistema linear é propriedade do próprio sistema e não depende da função de entrada. 16 TEMA 5 – ANÁLISE DE ESTABILIDADE PELO CRITÉRIO DE ROUTH-HURWITZ O critério de Routh-Hurwitz para a estabilidade informa se existem ou não polos instáveis em um polinômio, sem que haja a necessidade de resolvê-lo. A seguir, o método é descrito. O polinômio deve ser escrito na forma 01 1 10 nn nn asasasa (32) em que os coeficientes são grandezas reais. Se algum dos coeficientes for zero ou negativo na presença de pelo menos um coeficiente positivo, então existirá uma ou mais raízes imaginárias com parte real positiva, portanto o polinômio é instável. Se todos os coeficientes forem positivos, organize os coeficientes em linhas e colunas, de acordo com o seguinte padrão: 1 0 1 1 21 2 4321 4 4321 3 4321 2 7531 1 6420 gs fs ees dddds ccccs bbbbs aaaas aaaas n n n n n (33) em que o processo de formação das linhas continua até se esgotarem todos os elementos. Os coeficientes b1, b2, b3, etc. são calculados da seguinte forma: ;;; 1 7061 1 1 5041 2 1 3021 1 a aaaa b a aaaa b a aaaa b (34) O cálculo dos coeficientes de “b” continua até que os elementos restantes sejam iguais a zero. O mesmo procedimento de multiplicação cruzada é utilizado para determinar os demais elementos, ou seja, ;;; 1 4171 1 1 3151 2 1 2131 1 b baab c b baab c b baab c (35) Este procedimento continua até a n-ésima linha ser completada. 17 O critério de estabilidade de Routh-Hurwitz afirma que o número de raízes do polinômio com parte real positiva é igual ao número de mudanças de sinal dos coeficientes da primeira coluna da matriz. Com exemplo, considere o polinômio de 3ª ordem dado por 032 2 1 3 0 asasasa (36) onde todos os coeficientes são positivos. A matriz de coeficientes é 3 0 1 30211 31 2 20 3 as a aaaa s aas aas (37) A condição para que todas as raízes tenham parte real negativa é 033021 aeaaaa (38) Como exemplo numérico, considere o polinômio de 4ª ordem dado por 05432 234 ssss (39) Vamos seguir o procedimento e montar a matriz de coeficientes. Se algum coeficiente não existir, a sua posição é preenchida com zero. 5 6 51 042 531 0 1 2 3 4 s s s s s (40) Note que houve duas mudanças de sinal na primeira coluna (de 1 para – 6 e de –6 para 5). Isso significa que existem duas raízes com parte real positiva. Entretanto, ao completar a matriz de polinômios, é possível se deparar com situações que não são contempladas pelo caso convencional. Como exemplo de um caso especial, considere o polinômio dado por 022 23 sss (41) A matriz de coeficientes fica 18 2 0 22 11 0 1 2 3 s s s s (42) Se o sinal do coeficiente acima de zero (ε) é o mesmo do coeficiente abaixo, isso indica que existe um par de raízes imaginárias, ou seja, complexas conjugadas. Entretanto, se o sinal do coeficiente acima de zero (ε) for oposto, então existe uma mudança de sinal, e, consequentemente, existe um polo instável. Por exemplo, no polinômio dado por 0233 ss (43) a matriz de coeficientes é 2 2 3 20 31 0 1 2 3 s s s s (44) Note que houve duas mudanças de sinal na primeira coluna. A primeira entre a primeira e a terceira linhas, e entre a terceira e a quarta linhas, portanto existem duas raízes no semiplano direito do plano complexo. A próxima situação supõe que todos os coeficientes em uma linha calculada são nulos. Isso indica a existência de duas raízes iguais em valor, com sinais opostos e/ou raízes complexas conjugadas. Nesse caso, o cálculo continua formando um polinômio auxiliar com os coeficientes da última linha anterior à linha com coeficientes nulos e utiliza os coeficientes da derivada desse polinômio. Por exemplo, considere o polinômio 0502548242 2345 sssss (45) A matriz de coeficientes fica 00 50482 25241 3 4 5 s s s (46) 19 O polinômio auxiliar, chamado de P(s), é formado pelos coeficientes da linha acima da linha com coeficientes iguais a zero. No caso em questão, ele será 50482 24 sssP (47) e sua derivada será dada por ss ds sdP 968 3 (48) Assim, a nova matriz de coeficientes fica 50 07,112 5024 968 50482 25241 0 1 2 3 4 5 s s s s s s (49) Perceba que os coeficientes de dP(s)/ds substituem os coeficientes da linha onde são nulos. Note que ocorre uma mudança de sinal na primeira coluna da nova matriz, o que nos leva à conclusão de que o polinômio original tem um polo com parte real positiva. FINALIZANDO Esta aula demonstrou alguns aspectos para análise de sistemas de controle. Mais do que conhecer conceitos e obter modelos matemáticos de sistemas físicos, é de extrema importância saber como analisar tais sistemas e como interpretar os resultados dessa análise. REFERÊNCIAS NISE, N. S. Engenharia de sistemas de controle. 5. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009. OGATA, K. Engenharia de controle moderno. 5. ed. São Paulo: Pearson, 2010.