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53017002-Apostila-de-Controle-Linear-I

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parciais usando o MATLAB 
 O exemplo abaixo foi retirado do Ogata (4ºed.): 
 
Considere a seguinte função 
6116
6352
)(
)(
23
23


sss
sss
sA
sB
 
Para essa função 
num = [2 5 3 6] 
den = [1 6 11 6] 
O comando 
[r,p,k] = residue(num,den) 
 
apresenta o seguinte resultado: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Essa é a representação em MATLAB da seguinte expansão em parciais de B(s)/A(s): 
6116
6352
)(
)(
23
23


sss
sss
sA
sB 
2
1
3
2
4
3
6 


sss
 
 Para encontrar L-1{.} basta usar a tabela. 
 Para sistemas que tenham pólos com multiplicidade, deve-se observar a seqüência de r 
e p no MATLAB. 
[r,p,k]=residue(num,den) 
r= 
 -6,0000 
 -4,0000 
 3,0000 
 
p= 
 -3,0000 
 -20000 
 -1,0000 
 
k= 
 2 
 
 
 
 
 43
num = [0 1 2 3]; 
den = [1 3 3 1]; 
[r,p,k] = 
residue(num,den) 
r = 
 1,0000 
 0,0000 
 2,0000 
p = 
 -1,0000 
 -1,0000 
 -1,0000 
k = 
0 
num,den = residue(r,p,k); 
printsys(num,den,s) 
Expanda a seguinte B(s)/A(s) em frações parciais com MATLAB: 
133
32
)1(
32
)(
)(
23
2
3
2



sss
ss
s
ss
sA
sB 
Para essa função, temos: 
num = [0 1 2 3] 
den = [1 3 3 1] 
O comando 
[r,p,k]=residue(num,den) 
 
apresenta o resultado mostrado adiante. É a respresentação em MATLAB da seguinte expressão em frações 
parciais de B(s)/A(s): 
32 )1(
2
)1(
0
1
1
)(
)(
 ssssA
sB 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Note que o termo direito k é zero.Para obter a função original B(s)/A(s) a partir de r, p e k, insira o seguinte 
programa no computador: 
 
 
 
 
 
 
 
 44
Assim, o computador apresentará o num/den, como se segue: 
num/den=
132^33^
322^


sss
ss
. 
 Exemplo para sistemas com pólos complexos. 
Seja: 
)1(
1)( 2  ssssF , pólos complexos 
>>num=[1]; 
>>den=[1 1 1 0]; 
>>[r,p,k]=residue(num,den) 
 
r= 
-0.5000+0.2887i 
-0.5000-0.2887i 
 
p= 
-0.5000+0.8660i 
-0.5000-0.8660i 
 
k= 
>>[num,den]=residue(r,p,k) 
>> 
>>pritsys(num,den,’s’) 
num/den= 
ssssss
sese
12^3^
1
12^3^
10162204.22^0162204.2


 
 
sis
i
is
isF 1
8660,05,0
288,05,0
8660,05,0
288,05,0)( 

 
 
sss
ssF 1
1
1)( 2 
 
3.4-Resolução de Equações Diferenciais Lineares e Invariantes no Tempo 
 Considere o circuito abaixo 
resíduos complexos 
 
 
 
 
 45
 
 A tensão sobre o capacitor é vc(t). Suponha que o capacitor esteja descarregado 
inicialmente, ou seja: 
0)0(0)(
0
 ctc voutv 
 
 Suponha que a chave seja fechada em t=0, ou seja 
 
 que é a função degrau e L{v(t)}=
s
A . 
 Determine o comportamento da tensão no capacitor, vc(t), ao fechar a chave. 
 
Sol.: para o capacitor tem-se: q=Cvc(t) ou dt
tdvCti
dt
tdvC
dt
dq cc )()()(  
 Segundo as tensões na malha tem-se: 
v(t)=Ri(t)+vc(t) 
ou 
 
 
 
Assim: 
 
 
 
 
 46
L{v(t)}=RCL 



dt
tdvc )( +L{vc(t)} 
então 
  )()0()( sVvssVRC
s
A
CcC  
 
 
)1(
)()(1  RCss
AsVsVRCs
s
A
CC 
 
ou ainda: 
RC
s
k
s
k
RC
ss
RC
A
sVC 11
)( 21




 
 
AsVsk
sC
 01 )( 
AsV
RC
sk
RC
sC


   12 )(
1 
RC
s
A
s
AsVC 1)( 
 , segundo as linhas 1 e 6 da tabela, (pg. 30) 
L-1 


 







  RC
t
RC
t
eAAeA
RC
s
A
s
A 11 
Graficamente 
 
Exercício: Determine a evolução temporal de vc(t) e i(t) no circuito: 
 
 
 
 
 47
 
 A chave é fechada em t=0s e vc(t)=0v 
 
Exercício: Determine a evolução temporal de vc(t) e i(t) no circuito: 
 
 Suponha que não tenha energia armazenada no circuito antes da chave se fechar, ou 
seja, vc(t)=0 e i(t)=0. Aplique o T.V.F. para determinar os valores de regime. 
Exercício: Resolva a seguinte equação diferencial: 
)()(2)(3)( tutxtxtx   
 
sendo: (0) (0) (0) 0x x x
    e u(t)=



01
00
t
t
 
R1=R2=1Ω 
C=10-3F 
R=1Ω 
C=10-3F 
L=0,2H 
 
 
 
 
 48
4-Função de Transferência 
4.1–Definição 
 A função de transferência de um sistema de equações diferenciais lineares invariante no 
tempo é definida como a relação da Transformada de Laplace da saída (função resposta) 
para a transformada de Laplace da entrada (função excitação) sob a hipótese de que todas as 
condições iniciais são nulas. 
 
tem-se: Y(s)=G(s).U(s) 
Exemplo: Considere o controle do satélite da figura a seguir, sendo que a entrada 
controladora é o torque T(t) da turbina. A saída que deseja-se controlar é a posição angular 
(t) do satélite. 
 Admita que a velocidade de rotação )(t
 e a posição angular (t) são nulas em t=0, ou 
seja: )0(
 =0 rad/s e (0)=0 rad (C.I. nulas). 
 
 
 
 
 
 49
 
 Neste caso, o torque é: T(t)=L.F(t). Aplicando a segunda lei de Newton ao presente 
sistema e observando que não há nenhum atrito no ambiente dos satélites temos: 












 AngularAceleração
Inércia
de
Momento
torques 
ou 
)1()()( 2
2
dt
tdJtT  
sendo que J é o momento de inércia do satélite. Nosso objetivo é encontrar a função de 
transferência que relaciona a entrada T(t) com a saída (t). Para isso, aplicamos a 
transformada de Laplace em (1): 
L{T(t)}=JL




2
2 )(
dt
td  
T(s)= 

 





0
0
2 )()()(
t
t
ttsssJ  
)(
)(
)(1
)(
)()()( 2
2 sG
sT
s
JssT
ssJssT   
 
Esquematicamente tem-se: 
 
logo, G(s)= 2
1
Js
 que é a função de transferência do satélite. 
 Genericamente a função de transferência é definida como a relação entre a saída e a 
entrada do sistema, ou seja: 
 
 
 
 
 50
2
1
)(
)()(
JssT
ssG   
esquematicamente, 
 
Obs.: Note que a entrada utilizada foi T(t) e é qualquer (genérico). Desta forma G(s) não 
depende da entrada. 
 O conceito de função de transferência será muito útil neste curso, com ela analisaremos 
e projetaremos sistemas de controle automático. 
Exercício: Determine a função de transferência do circuito: 
 
sendo ve(t) a entrada e vc(t) a saída. Não se esqueça: C.I. nulas. 
Generalização 
 Mostraremos, a seguir, uma generalização do conceito de função de transferência. 
 Considere um sistema linear invariante no tempo (SLIT): 
 
   0 )()( dtetysY st 
 Suponha que u(t)=0 para t<0 e que as condições iniciais são nulas: 
y(0)= 0)0(...)0(
)1(   nyy e 0)0(...)0()0( )(  


m
uuu 
 O sistema é descrito pela equação diferencial: 
)1()(...)()()(...)()(
)(
1
)()1(
11 tubtubtubytyatyatya
m
mo
nn
no 



 
Obs.: Já provamos no capitulo 2 (exemplo 4) que este sistema dinâmico é linear. Se ai e bi 
são constantes, então é SLIT. 
 Aplicando a Transformada de Laplace em (1) temos: 
 
 
 
 
 51
       )2(...)0()(...)0()( )(...)0()(...)0()()( )1(11
)1(1
1




n
o
nm
m
o
nnn
o
uussUsbussUb
sUbyyssYsyssYasYa
 
 Como: 0)0(...)0()0(
)1(   nyyy e u(t)=0 para t<0 (logo todas as derivadas de u(t) 
são nulas para t<0), a equação (2) torna-se 
)(...)()()(...)()( 11 sUsbssUbsUbsYsssYasYa
m
mo
n
o  
ainda: