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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ ENGENHARIA ELÉTRICA ARTUR SILVA SOARES LEONARDO GOMES DA SILVA ANÁLISE E RESPOSTA AO DEGRAU DA FUNÇÃO DE TRANSFERÊNCIA DA COMBINAÇÃO MOTOR-CARGA COM EXCITAÇÃO INDEPENDENTE ESTUDO DE CASO APUCARANA 2022 ARTUR SILVA SOARES LEONARDO GOMES DA SILVA ANÁLISE E RESPOSTA AO DEGRAU DA FUNÇÃO DE TRANSFERÊNCIA DA COMBINAÇÃO MOTOR-CARGA COM EXCITAÇÃO INDEPENDENTE Estudo de caso apresentado à disciplina de Sistemas de Controle 1, do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, como requisito parcial para a obtenção da nota semestral. Orientador: Rodrigo da Ponte Caun APUCARANA 2022 SUMÁRIO 1 MATERIAIS E MÉTODOS .....................................................................03 2 RESULTADOS E DISCUSSÕES ...........................................................07 2.1 Funções de transferência ....................................................................07 2.2 Análise dos parâmetros das funções de transferência ....................12 2.2.1 Parâmetros da função de transferência em malha aberta ......................13 2.2.2 Parâmetros da função de transferência em malha fechada ...................14 2.3 Simulações obtidas através das funções de transferência ..............15 2.3.1 Simulações no MATLAB .........................................................................15 2.3.2 Simulações no SIMULINK ......................................................................17 3 CONSIDERAÇÕES FINAIS ...................................................................19 REFERÊNCIAS ......................................................................................22 ANEXO A - Código desenvolvido no MATLAB ..................................23 3 1 MATERIAIS E MÉTODOS O presente trabalho possui o intuito de realizar a modelagem matemática de uma combinação motor-carga com excitação independente em malha aberta e fechada através da aproximação linear de um motor real, aos quais os “efeitos de segunda ordem, como histerese e a queda de tensão nas escovas, serão desprezados.” (DORF e BISHOP, 2018). Para realizar a validação da modelagem da função transferência juntamente com a resposta ao degrau foi utilizado o MATLAB em forma de script afim de se obter as respostas em malha aberta e malha fechada. Em seguida, agregando o estudo de caso, foi simulado o sistema completo através do SIMULINK, utilizando assim uma interface gráfica para a melhor visualização do diagrama de blocos. Segue abaixo o diagrama de blocos em malha aberta e fechada, utilizando um degrau de entrada, projetado através do SIMULINK: Figura 1 – Diagramas de blocos projetados Fonte: Elaborado pelos autores Na Figura 1 percebe-se a presença de dois sistemas, um em malha aberta (sistema superior em tom avermelhado) e outro em malha fechada (sistema inferior em tom azulado) a qual possui a força contra eletromotriz do motor atuando na realimentação do sistema. Ademais, há a entrada degrau (à esquerda em verde) e a saída de comparação entre a resposta das duas malhas (à direita em amarelo). Os valores das variáveis presentes na simulação estão no script do MATLAB, fazendo assim com que os sistemas fiquem de maneira genérica e os valores possam ser facilmente alterados sem que sejam modificados diretamente nos blocos, deixando assim o diagrama de maneira mais didática sobre quais variáveis estão relacionadas em cada bloco. 4 Os valores adquiridos e utilizados para a simulação podem ser visualizados na Figura 2. Figura 2 – Valores utilizado nas simulações Fonte: Adaptado de DORF e BISHOP (2018, p. 80) Onde Km é a constante do torque do motor; Ra a resistência da armadura; La a indutância do enrolamento da armadura; J é o momento de inércia; b o atrito viscoso e Kce a constante de força contra eletromotriz. Vale ressaltar que para o sistema em malha aberta é utilizada a resistência do campo Rc e a indutância do campo Lc,, aos quais, para fins de estudo, foram utilizados os mesmos valores dos de armadura. O propósito da simulação apresentada na Figura 1 é de realizar a comparação entre o sistema de malha fechada em relação ao de malha fechada, utilizando os valores apresentados, sobre a mesma entrada degrau, possibilitando assim a identificação das diferenças entre as duas funções transferências analisadas, o desempenho do motor CC para cada malha e os parâmetros de projetos encontradas em cada um dos sistemas. Como dissera anteriormente, no MATLAB foi realizado a mesma simulação do SIMULINK, porém em forma de script, relacionando assim os blocos presente nos diagramas e encontrando as respostas ao degrau de cada malha. Primeiramente, segue abaixo os parâmetros iniciais presentes no script: Figura 3 – Parâmetros iniciais do script do MATLAB Fonte: Elaborado pelos autores 5 Do qual o tempo de simulação é referente ao período a qual cada função transferência será simulada em relação ao degrau de entrada, ou seja, iniciando em 0 segundos e indo até 30 segundos em passos de 0,05 segundos. Em seguida foi realizado a função de transferência do caminho principal de cada bloco presente nos diagramas. Figura 4 – Função transferência do caminho principal dos sistemas Fonte: Elaborado pelos autores Prosseguindo o script, há a necessidade de criar duas funções representando o sistema em malha aberta, a qual é a junção das funções transferências do caminho principal expostas na Figura 4, e o sistema de malha fechada que culmina na mesma função da malha aberta, porém com a realimentação da força contra eletromotriz. Segue abaixo o script referente aos sistemas: Figura 5 – Funções de transferência de malha aberta e malha fechada Fonte: Elaborado pelos autores Para o sistema em malha aberta foi utilizado a função series a qual trata os blocos gerados como se estivessem em série, fazendo assim a função transferência equivalente, enquanto para a malha fechada foi utilizada a função feedback que possui o intuito de gerar a realimentação em uma função transferência. 6 Por fim, com o propósito de gerar graficamente a resposta ao degrau do sistema em malha aberta e malha fechada, foi utilizado o comando subplot, plot e step, dos quais respectivamente fazem relação a divisão da posição do gráfico a ser plotado, comando para gerar o gráfico e resposta ao degrau das funções de transferência. Figura 6 – Script de plotagem Fonte: Elaborado pelos autores De forma análoga foram realizadas a resposta ao degrau de ambas as funções de malha porém com a função de transferência completa de cada uma, fazendo assim com que fosse equivalente as manipulações realizadas até o momento. Figura 7 – Funções de transferência completa dos sistemas Fonte: Elaborado pelos autores 7 2 RESULTADOS E DISCUSSÕES Como já explicitado nos materiais em métodos utilizados para o desenvolvimento do trabalho, o presente capítulo possui o intuito de apresentar os resultados obtidos, assim como suas validações, equacionamentos e análises acima dos sistemas realizados. 2.1 Funções de transferência Conforme Dorf e Bishop (2018, p. 52) o motor CC realiza a conversão da energia elétrica para a energia mecânica rotacional, de forma que o torque presente no rotor do motor estará disponível para a utilização em determinada carga a qual se deseja utilizar. Ainda apresentam a importância da utilização dos motores CC em inúmeras aplicações pelo fato das suas características principais, como torque elevado, controle da velocidade e facilidade de implementação em vários métodos de controle. Segue abaixoa representação elétrica e estrutural de um motor CC: Figura 8 – Diagrama elétrico e esboço estrutural de um motor CC Fonte: Dorf e Bishop (2018, p. 53) Percebe-se através da Figura 8 que ao aplicar uma tensão de entrada Vc ao enrolamento do estator atuando no controle da intensidade do campo magnético gerado pelo estator, a qual induz o movimento do rotor. Realizando a análise utilizando a tensão Vc(t) como a entrada e a posição do rotor θ(t) como a saída a serem consideradas para a função transferência, tem-se 8 que ao aplicar a tensão de entrada uma corrente ic(t) é gerada e começa a circular pelo encolamento de campo. Como o fluxo de campo no entreferro ϕ(t) é proporcional a esta corrente de campo, podemos equacionar da seguinte maneira: ϕ(t) = Kc ∙ ic(t) (1) Quando há uma corrente de armadura ia(t) circulando nos enrolamentos do rotor há a interação entre ela e o campo magnético gerado no estator, e com isso há o aparecimento do torque, proporcional ao fluxo e a corrente de armadura, sendo expresso por: Tm(t) = K1 ∙ ϕ(t) ∙ ia(t) = K1 ∙ Kf ∙ if(t) ∙ ia(t) (2) Logo, segue abaixo a conversão da Equação 2 para o domínio da frequência considerando o motor controlado pela corrente de campo: Tm(s) = (K1 ∙ Kf ∙ Ia) ∙ If(s) = Km ∙ If(s) (3) Onde Ia é a corrente de armadura constante e Km é a constante referente aos aspectos construtivos do motor. Como o torque do motor é composto pelo torque da carga Tc somado ao torque de perturbação Tp ao qual é frequentemente desprezível, ou seja, Tp é nulo, pode-se equacionar o torque do motor da seguinte maneira: Tm(s) = Tc(s) + Tp(s) = Tc(s) (4) Como o torque do motor é referente apenas ao torque da carga a equação 3 pode ser alterada da seguinte maneira: Tm(s) = Tc(s) = Km ∙ Ic(s) (5) Sendo o torque da carga expresso por: Tc(s) = J ∙ s 2 ∙ 𝜃(s) + b ∙ s ∙ 𝜃(s) (6) 9 Equacionando a relação entre a corrente de campo com a tensão de campo, a qual foi a entrada escolhida para o sistema, há no domínio da frequência o seguinte resultado: Vc(s) = (Rc + Lcs) ∙ Ic(s) (7) Isolando a corrente de campo na equação 5: Ic(s) = Vc(s) (Rc+Lcs) (8) Igualando as equações 5 e 6, referentes as duas expressões encontradas para o torque da carga, e substituindo a expressão da corrente de campo deduzida na equação 8 há a seguinte igualdade: J ∙ 𝑠2 ∙ 𝜃(𝑠) + 𝑏 ∙ 𝑠 ∙ 𝜃(𝑠) = Km Vc(s) (Rc+Lcs) (9) Como as variáveis de interesse são a tensão Vc(s) como entrada e a posição 𝜃(𝑠) como saída, isolando ambas e arranjando os termos há a possibilidade de encontrar a função transferência do sistema em malha aberta. F. T. M. A. = 𝜃(𝑠) Vc(s) = Km s∙(Rc+Lcs)∙(J∙s+𝑏) (10) Gerando assim o seguinte diagrama de blocos em malha aberta: Figura 9 – Diagrama de blocos em malha aberta Fonte: Dorf e Bishop (2018, p. 54) 10 Nota-se a presença de um bloco integrador (1/s) a qual multiplica a função transferência em malha aberta, sabemos da física que a velocidade de dada massa pode ser encontrada através da derivada da posição, de forma análoga que para encontrar a posição integra-se a velocidade. Portanto, analisando o bloco integrador da Figura 9 nota-se que ao retirá- lo a saída deixa de ser a posição θ(s) e se torna a velocidade ω(s), a qual é um parâmetro de melhor análise, pois o seu valor é estabilizado em determinado tempo, enquanto para a posição os valores tendem ao infinito. Com isso, o diagrama de blocos com a saída sendo a velocidade fica da seguinte maneira: Figura 10 – Diagrama de blocos em malha aberta com velocidade na saída Fonte: Adaptado de Dorf e Bishop (2018) Gerando assim a seguinte função de transferência em malha aberta: F. T. M. A = 𝜔(𝑠) Vc(s) = Km (Rc+Lcs)∙(J∙s+𝑏) (11) Logo, com a análise realizada em cima da função de transferência em malha aberta, pode-se equacionar em malha fechada utilizando a força contra eletromotriz na realimentação do sistema. Tratando de um motor CC controlado pela armadura, a variável de controle é a corrente de armadura ia, uma vez que, quando ela é constante o torque do rotor pode ser representado pela seguinte expressão: Tm(s) = (K1 ∙ Kc ∙ Ic) ∙ Ia(s) = Km ∙ Ia(s) (12) De forma que a tensão de armadura Va pode ser obtida pelo seguinte equacionamento: Va(s) = (Ra + Las) ∙ Ia(s) + Vce(s) (13) 11 Onde Vce(s) é a tensão que relaciona a força contra eletromotriz de maneira proporcional à velocidade do motor, ou seja, obedecendo a seguinte proporcionalidade: Vce(s) = Kce ∙ ω(s) (14) Isolando a corrente de armadura da equação 13 com a equação 14: Ia(s) = Va(s)-Kce∙ω(s) Ra+Las (15) De forma análoga ao desenvolvimento em malha fechada, o torque de perturbação Tc é nulo, desta forma o torque do motor e da carga sendo expresso como equivalentes. Tm(s) = Tc(s) = J ∙ s 2 ∙ 𝜃(s) + b ∙ s ∙ 𝜃(s) (16) Igualando as equações 12 e 16 e assumindo ω(s)=sθ(s) obtém-se a seguinte relação: J ∙ 𝑠2 ∙ 𝜃(𝑠) + 𝑏 ∙ 𝑠 ∙ 𝜃(𝑠) = Km Va(s)-Kce∙θ(s)∙s (Ra+Las) (17) Como as variáveis de interesse são a tensão Va(s) como entrada e a posição 𝜃(𝑠) como saída, isolando ambas e arranjando os termos há a possibilidade de encontrar a função transferência do sistema em malha fechada. F. T. M. F. = 𝜃(𝑠) Va(s) = Km s∙[(Rc+Lcs)∙(J∙s+𝑏)+(Km∙Kce)] (18) De forma análoga a realizada na função de transferência de malha aberta, para encontrar a de malha fechada para que saída seja a velocidade ω(s) é necessário tirar o bloco integrador do sistema (1/s), pois a integral da velocidade é a posição, obtendo assim o seguinte diagrama de blocos: 12 Figura 11 – Diagrama de blocos em malha fechada com velocidade na saída Fonte: Adaptado de Dorf e Bishop (2018) Gerando assim a seguinte função de transferência em malha fechada: F. T. M. F. = 𝜔(𝑠) Vc(s) = Km (Rc+Lcs)∙(J∙s+𝑏)+(Km∙Kce) (19) 2.2 Análise dos parâmetros das funções de transferência Encontrado as funções de transferências em malha aberta e malha fechada, há a necessidade de estudar os parâmetros presentes em cada uma delas, e isso pode ser feito comparando as funções obtidas com a função de transferência de segundo ordem genérica, a qual pode ser visualizada abaixo: G(s) = K∙𝜔n 2 s2+2∙𝜀∙𝜔n∙s+𝜔n2 (20) Primeiramente, simplificando ambas as funções para ficarem equivalentes a função de transferência de segundo grau, obtém-se a seguintes equações: F. T. M. A = 𝜔(𝑠) Vc(s) = Km Lc∙J s2+( Lc∙b+Rc∙J Lc∙J )∙s+ Rc∙b Lc∙J (21) F. T. M. F. = 𝜔(𝑠) Vc(s) = Km 𝐿𝑐∙𝐽 𝑠2+( 𝐿𝑐∙𝑏+𝑅𝑐∙𝐽 𝐿𝑐∙𝐽 )∙𝑠+( 𝑅𝑐∙𝑏+Km∙Kce 𝐿𝑐∙𝐽 ) (22) 13 Desta forma é possível analisar separadamente cada uma das funções de transferências, seus parâmetros, características e devidas simulações. Ou seja, para esta análise deve ser calculado o fator de amortecimento “ε” e a frequência natural “𝜔𝑛”, de forma a visualizar e equacionar os valores do sobressinal máximo percentual (overshoot), do tempo de subida e por fim do tempo de estabelecimento do sistema analisado. 2.2.1 Parâmetros da função de transferência em malha aberta Para a função de transferência em malha aberta apresentada na equação 21, comparando com o sistema de segunda ordem da equação 20, há a possibilidade de obter os seguintes equacionamentos: 2 ∙ 𝜀 ∙ 𝜔n = ( Lc∙b+Rc∙J Lc∙J ) (23) 𝜔n = √ Rc∙b Lc∙J (24) Inserindo a equação 24 na equação 23: 𝜀 = ( Lc∙b+Rc∙J Lc∙J ) 2∙√ Rc∙b Lc∙J (25) Substituindo os valores das variáveis presente na Figura2, encontra-se: 𝜀 = 1,25 (26) 𝜔n = 0,5 rad/s (27) Gerando assim a seguinte função de transferência: F. T. M. A = 𝜔(𝑠) Vc(s) = 5 s2+1,25∙s+0,25 (28) 14 2.2.1 Parâmetros da função de transferência em malha fechada Dando prosseguimento, para a função de transferência em malha fechada apresentada na equação 22, comparando com o sistema de segunda ordem da equação 20, há a possibilidade de obter os seguintes equacionamentos: 2 ∙ 𝜀 ∙ 𝜔n = ( Lc∙b+Rc∙J Lc∙J ) (29) 𝜔n = √ 𝑅𝑐∙𝑏+Km∙Kce 𝐿𝑐∙𝐽 (30) Inserindo a equação 24 na equação 23: 𝜀 = ( Lc∙b+Rc∙J Lc∙J ) 2∙√ 𝑅𝑐∙𝑏+Km∙Kce 𝐿𝑐∙𝐽 (31) Substituindo os valores das variáveis presente na Figura 2, encontra-se: 𝜀 = 0,721687836 (32) 𝜔n = √0,75 = 0,866025404 rad/s (33) Gerando assim a seguinte função de transferência: F. T. M. F. = 𝜔(𝑠) Vc(s) = 5 s2+1,25∙s+0,75 (34) 15 2.3 Simulações obtidas através das funções de transferência Este subcapítulo possui o intuito de realizar a simulação através das funções de transferência de malha aberta e fechada em resposta ao degrau, afim de complementar os parâmetros calculados anteriormente. Ressalta-se que os scripts utilizados foram os mesmos apresentados no primeiro capítulo no presente estudo de caso, sendo citado toda vez que forem utilizados para determinada simulação ou análise. Foram realizadas as simulações através do software MATLAB através de scripts, e da sua extensão SIMULINK, apresentando uma versão gráfica do diagrama de blocos apresentado na Figura 1. 2.3.1 Simulações no MATLAB Para a realização das simulações das funções de transferência de malha aberta e malha fechada em resposta ao degrau foi utilizado o script presente na Figura 6, gerando assim os seguintes gráficos: Figura 12 – Resposta ao degrau em malha aberta e malha fechada (MATLAB) Fonte: Elaborado pelos autores Para melhor visualização, foi simulado individualmente cada função de transferência, gerando assim os seguintes gráficos: 16 Figura 13 – Resposta ao degrau em malha aberta Fonte: Elaborado pelos autores Figura 14 – Resposta ao degrau em malha fechada Fonte: Elaborado pelos autores Percebe-se que comparando os dois sistemas há algumas diferenças pontuais que podem ser visualizadas apenas observando os gráficos gerados. Primeiramente, os tempos de subida e estabelecimento para o sistema em malha fechada é menor do que o simulado para a malha aberta. 17 Outro comportamento constatado na simulação é referente a amplitude de cada função transferência, podendo visualizar que para o sistema em malha fechada o valor numérico da velocidade de saída é inferior ao do sistema em malha fechada. Por fim, um último parâmetro comparado é devido ao sistema em malha fechada apresentar overshoot, enquanto que o de malha aberta não apresenta este comportamento O overshoot, também denominado como sobressinal máximo percentual, pode ser calculado através da seguinte equação: 𝑀𝑠𝑠% = 100 ∙ 𝑒 − 𝜀∙𝜋 √1−𝜀2 (35) Aplicando para os valores de ε e 𝜔𝑛 encontrados para ambas as funções de transferência foi encontrado um overshoot de 3,7803% para o sistema em malha fechada e de aproximadamente 0% para o de malha aberta. Fato que pode ser validado a partir do seguinte script no MATLAB: Figura 15 – Script e resultado do overshoot dos sistemas Fonte: Elaborado pelos autores 2.3.2 Simulações no SIMULINK Como forma de agregar nas análises pertinentes a comparação entre os dois sinais, como apresentado na Figura 1, foram simulados os diagramas de blocos no SIMULINK. Com o auxílio de um Bus Creator foi possível unir as duas saídas de cada sistema, e em seguida com o Scope simular ambas as funções de maneira conjunta, podendo assim visualizar as diferenças entre as duas. 18 Segue abaixo a simulação realizada: Figura 16 – Simulação de ambas as malhas no SIMULINK Fonte: Elaborado pelos autores Na simulação foi analisado a fim de comparar com os scripts do MATLAB o overshoot da função de transferência em malha fechada, onde pôde constatar que dado um ΔY=0,248 rad/s, variação que relaciona o pico da função com o seu valor em regime permanente, houve um percentual de overshoot de aproximadamente 3,7181. Em comparação com o script do MATLAB é observado um erro de 1,64%, a qual pode ser desprezado, pois no script é realizado os cálculos de maneira precisa, enquanto para o encontrado no SIMULINK possui a variação provinda dos posicionamentos dos cursores, sendo assim, apenas servindo para a validação do resultado observado pelo script. Ademais, as mesmas análises quantos aos tempos de subida e de estabelecimento seguem de forma equivalente as mesmas realizadas no MATLAB, de forma a apenas complementar os resultados obtidos. 19 3 CONSIDERAÇÕES FINAIS Através do presente trabalho foi possível identificar e analisar o comportamento de ambas as funções transferências propostas pelo estudo de caso, de forma que com equacionamentos e simulações fosse possível realizar o entendimento sobre as diferenças da utilização dos sistemas em malha aberta ou malha fechada, na aplicação do acionamento em um motor CC, relacionadas aos seus desempenhos individuais. As funções de transferências estudadas são enquadradas como sistemas de segunda ordem, entretanto cada um dos modelos matemáticos possui suas peculiaridades e características atribuídas por seus parâmetros de projetos. No decorrer do trabalho foram calculados os parâmetros de projetos de ambas as funções de transferências simuladas, onde foram obtidos os valores de ε=1,25 e 𝜔𝑛=0,5 rad/s para o sistema em malha aberta e aproximadamente ε=0,72 e 𝜔𝑛=0,87 rad/s para o sistema em malha fechada. Além desses parâmetros implicarem no desempenho do sistema, assim como para os equacionamentos dos parâmetros de performance, ao analisar o fator de amortecimento pode-se identificar algumas características de cada sistema. Para a função de transferência de malha aberta a qual possui 𝜀 ≥ 1, trata-se de um sistema superamortecido, que em sua característica não possui componente imaginário, sendo assim correspondendo a dois polos reais de dois sistemas de primeira ordem e um polo na origem proveniente da entrada degrau, ao qual a reposta transitória é dada pela composição de ambas as respostas de cada sistema de primeira ordem. Por esta características, o sistema de malha aberta acaba não apresentando overshoot, podendo assim visualizar dada uma entrada degrau uma resposta estável e monótona. Em contrapartida, para o sistema de malha fechada o fator de amortecimento pertence ao intervalo 0 ≤ 𝜀 ≤ 1 implicando na classificação de um sistema subamortecido, a qual apresenta um polo na origem proveniente da entrada do degrau unitário e dois polos complexos, ou seja, possuindo parte real e imaginária que são provenientes do sistema. 20 Esse tipo de sistema apresenta um comportamento estável e oscilatório em sua resposta até que entre em regime permanente, como pode ser observado na simulação em malha fechada a qual houve a formação de um overshoot. Ademais, o sistema em malha aberta representa um sistema ideal do acionamento de um motor CC, utilizando o seu controle através da corrente gerada em seu campo e não possuindo nenhuma força ou parâmetro físico que atrapalhe seu desempenho. Porém, para o sistema de malha fechada por possuir em sua realimentação a força contra eletromotriz ele torna o sistema um pouco mais real do que o de malha aberta, onde mesmo desprezando os efeitos da histerese e da queda de tensão nas escovas há a possibilidade de vermos como esta força afeta a velocidade do rotor. Vale ressaltarque o seu controle é realizado pela armadura, sendo mais específico utilizando a corrente de armadura como variável de controle. Como expresso anteriormente, o sistema utilizado em malha fechada apresenta uma melhor aproximação a um modelo real do que do sistema em malha aberta, e isso influencia diretamente em suas características de simulação. No sistema de malha fechada o tempo de subida e de estabelecimento acontecem de maneira mais rápida que o de malha aberta, sendo assim possuindo uma resposta mais rápida em relação a certa entrada aplicada, ocasionando a estabilidade do sistema em um tempo inferior ao de malha fechada. Entretanto, o sistema de malha fechada por ser um sistema subamortecido possui um overshoot, o que deve-se tomar muita atenção ao projetar controladores ou trabalhar com parâmetros diferentes dos simulados, pois trata-se de um dos indicativos da estabilidade relativa do sistema, uma vez que, quanto maior seu valor menor será a estabilidade relativa, e com isso mais próximo o sistema estará da instabilidade, porém como a overshoot foi de aproximadamente 3,78% o projeto pode- se dizer aceitável, visto em que várias aplicações de sistemas de controle acabam trabalhando com percentual de sobressinal em um intervalo até 10% ou 15%. Para o sistema em malha aberta não há este parâmetro, fazendo com que, apesar do seu tempo até entrar em regime, não haja variações em sua estabilidade relativa, ocasionando que por mais que seja um sistema mais lento, seja seguro em termos de estabilidade Um último ponto observado foi a influência da força contra eletromotriz no valor da velocidade do rotor, uma vez que no sistema em malha aberta para a entrada 21 degrau há uma saída de velocidade de aproximadamente 190 RPM, para a malha fechada esse valor fica em torno de 64 RPM. Ou seja, ao implementar a força contra eletromotriz que atua de forma contrária ao giro do rotor, a velocidade irá diminuir conforme essa força limita o ganho de velocidade, sendo assim, o sistema de malha fechada apresentar de maneira mais real o quanto esta força atua em determinado modelo de motor CC. De modo geral, olhando para o desempenho de cada sistema, o de malha aberta sobressai quando há a necessidade de adquirir o máximo de ganho possível da saída e que não haja oscilações em seu acionamento, mesmo que o tempo até que entre em regime seja maior. Porém, atuando sem parâmetros reais em sua aplicação, a precisão e confiabilidade deste tipo de sistema é inferior ao de malha fechada. Logo, o de malha fechada de sobressai por apresentar a variável da força contra eletromotriz do rotor, representando um modelo mais real do que o de malha fechada, além de sua resposta e tempo para o regime serem inferiores. Porém, em seu acionamento há a presença de algumas oscilações que ao decorrer do trabalho foram explicitados que devem ser monitoradas e analisadas para que o sistema não se torne instável. Além disto, a força contra eletromotriz limita o ganho de velocidade do sistema. Geralmente, sistemas em malha aberta são utilizados para operações dos quais possuem certa facilidade de funcionamento, além de necessitar de menos proteção e operar de forma rápida e com baixo custo. Já para sistemas em malha fechada são utilizados quando há a necessidade de sistemas mais robustos e precisos, dos quais há o fornecimento da saída necessária avaliando a entrada, gerando assim o sinal de erro a fim agregar na otimização do sistema. Porém, geralmente os sistemas de controle de malha fechada são mais caros e exigem mais manutenções. Contudo, o desenvolvimento do presente trabalho possibilitou de forma detalhada que fosse realizado o estudo de caso acima do acionamento do motor CC, trabalhando com multidisciplinaridade e desenvolvimento do raciocínio crítico e analítico, de forma a realizar as simulações e obter o entendimento das características e causas relacionadas aos sistemas de segunda ordem, possibilitando assim aos discentes a aplicação dos conceitos e metodologias adquiridos durante a disciplina de Sistemas de Controle 1 à situações de aplicabilidade reais. 22 REFERÊNCIAS ASSUNÇÃO, Edvaldo.; TEIXEIRA, Marcelo C. M. Controle linear: Sinais contínuos e discretos no tempo. São Paulo. Universidade Estadual Paulista, 2018. DORF, Richard C.; BISHOP, Robert H. Sistemas de Controle Modernos, 13ª edição. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2018. E-book. ISBN 9788521635147. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521635147/. Acesso em: 09 out. 2022 FONSECA, Henrique M. Modelagem e controle da posição angular de um motor CC acoplado a uma haste flexível. Universidade Federal de Ouro Preto, 2014. OGATA, Katsuhiko et al. Modern control engineering. Upper Saddle River, NJ: Prentice hall, 2010. 23 ANEXO A clc clear all close all %----------------------------------------------------------% % Valores utilizados para as variáveis % %----------------------------------------------------------% Km=10; Ra=1; La=1; J=2; b=0.5; Kce=0.1; %Obs: Assumindo Rc=Ra e Lc=La %----------------------------------------------------------% % Tempo de simulação % %----------------------------------------------------------% t=[0:0.05:30]; %----------------------------------------------------------% % Diagrama de blocos % %----------------------------------------------------------% %Bloco 1 num1=[1]; den1=[J b]; sys1=tf(num1,den1); %Bloco 2 num2=[Km]; den2=[1]; sys2=tf(num2,den2); %Bloco 3 num3=[1]; den3=[La Ra]; sys3=tf(num3,den3); %----------------------------------------------------------% % Funções de transferência % %----------------------------------------------------------% %Malha aberta sysa=series(sys1,sys2); sys_ma=series(sysa,sys3) %Malha fechada sys_mf=feedback(sys_ma,Kce) %----------------------------------------------------------% % Funções de transferência - Completa % %----------------------------------------------------------% sys_ma_completa=series(tf([Km],[J*La]), ... tf([1],[1 ((Ra/La)+(b/J)) ((Ra*b)/(J*La))])) sys_mf_completa=series(tf([Km],[J*La]), ... tf([1],[1 ((Ra/La)+(b/J)) (((Ra*b)+(Kce*Km))/(J*La))])) %----------------------------------------------------------% % Overshoot das funções de transferência % %----------------------------------------------------------% %Overshoot para malha aberta [y3,t3]=step(sys_ma,t); erro_ma=1-y3(length(t3)); overshoot_ma=max(y3)-y3(length(t3)); percentual_overshoot_ma=(overshoot_ma/y3(length(t3)))*100 %overshoot para malha fechada [y2,t2]=step(sys_mf,t); erro_mf=1-y2(length(t2)); overshoot_mf=max(y2)-y2(length(t2)); percentual_overshoot_mf=(overshoot_mf/y2(length(t2)))*100 %----------------------------------------------------------% % Simulação - Plot % %----------------------------------------------------------% subplot(2,2,[1,2]); [y,t1]=step(sys_ma,t); plot(t,y,'r','LineWidth',2) xlabel('Tempo (s)'); ylabel('Velocidade - w (rad/s)'); grid title('Resposta ao degrau do sistema em malha aberta') subplot(2,2,[3,4]); [y,t3]=step(sys_mf,t); plot(t,y,'g','LineWidth',2) xlabel('Tempo (s)'); ylabel('Velocidade - w (rad/s)'); grid title('Resposta ao degrau do sistema em malha fechada')
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