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Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br 1 Modelagem no Domínio da Frequência Carlos Alexandre Mello 2Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Transformada de Laplace � O que são Transformadas? � Quais as mais comuns: � Laplace � Fourier � Cosseno � Wavelet � ..... 3Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Transformada de Laplace � A transf. de Laplace representa entrada, saída e sistema como entidades separadas � A relação entre elas é algébrica � Transformada de Laplace: � onde s = σ + jω é uma variável complexa � F(s) é dita a transformada de Laplace de f(t) 4Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Transformada de Laplace � Transformada Inversa de Laplace � Em geral, o cálculo da transformada inversa é bastante custoso, pois envolve o cálculo de integrais complexas, mas o conjunto de funções importantes para a área de controle é pequeno, permitindo o uso de tabelas que fazem o mapeamento dessas funções e de suas transformadas na qual: 5Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Transformada de Laplace � Algumas transformadas conhecidas 6Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Transformada de Laplace � Propriedades 7Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Transformada de Laplace � Exemplo 1: 8Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Transformada de Laplace � Exemplo 2: Transformada Inversa � Pelo teorema do deslocamento em frequência e pela transformada de Laplace de f(t) = t.u(t): � Se: F(s) = 1/s2→ f(t) = t.u(t) � e: F(s + a) = 1/(s + a)2→ f(t) = e-att.u(t) � Então: F1(s) = 1/(s + 3)2→ f(t) = e-3tt.u(t) 9Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Transformada de Laplace � Transformada Inversa: Expansão em Frações Parciais � A Expansão em Frações Parciais é uma ferramenta matemática bastante útil no cálculo da transf. de Laplace � Objetivo matemático: Simplificar uma função, expandindo-a em funções de menor grau � Objetivo para controle: Facilitar o cálculo da transf. de Laplace � Métodos: � Clearing Fractions � Heaviside Cover-Up (ou Resíduos) 10Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Transformada de Laplace � Expansão em Frações Parciais (Clearing Fractions) � Exemplo: Fonte: aula de Sinais e Sistemas do prof. Aluízio Ribeiro. 11Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Transformada de Laplace � Expansão em Frações Parciais (Heaviside Cover- Up ou Resíduos) � Exemplo: Fonte: aula de Sinais e Sistemas do prof. Aluízio Ribeiro. 12Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Transformada de Laplace � Expansão em Frações Parciais (Uso dos dois métodos) � Exemplo: Fonte: aula de Sinais e Sistemas do prof. Aluízio Ribeiro. 13Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Transformada de Laplace � Expansão em Frações Parciais � Caso 1: Raízes do denominador são reais e distintas � Caso 2: Raízes do denominador são reais e repetidas � Caso 3: Raízes do denominador são complexas 14Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Transformada de Laplace � Uso de Transf. de Laplace: � Resolução de Equações Diferenciais: Resolva a seguinte equação diferencial para y(t) com todas as condições iniciais nulas � A transformada de Laplace para y(t) é: � que leva a: 15Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Transformada de Laplace � Uso de Transf. de Laplace: � Resolução de Equações Diferenciais (cont): � Por expansão em frações parciais: ou 16Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência � A função de transferência retrata a relação entre a saída e a entrada de um sistema � Geralmente, as funções de entrada e saída se relacionam através de uma equação diferencial linear e invariante no tempo de n-ésima ordem: na qual y(t) é a saída e x(t) é a entrada do sistema 17Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência � Dada a equação diferencial linear e invariante no tempo de n-ésima ordem: � Calculando a transf. de Laplace: � Se as condições iniciais forem nulas: � Ou seja: G(s) é a Função de Transferência 18Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência � Função de Transferência como diagrama de bloco: � E podemos encontrar a saída de um sistema dada a entrada e sua função de transferência: � Y(s) = G(s).X(s) X(s) Y(s) G(s) 19Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência � A FT de um sistema é um modelo matemático � Método operacional de expressar a equação diferencial que relaciona a entrada à saída do sistema � A FT é uma propriedade do sistema � Independe do sinal de entrada � A FT relaciona a entrada à saída, mas não fornece qualquer informação quanto à estrutura física do sistema � Diferentes sistemas podem ter a mesma função de transferência 20Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência � Se a função de transferência de um sistema for conhecida, a saída pode ser estudada para várias formas de entrada a fim de entender a natureza do sistema � Se a função de transferência for desconhecida, ela pode ser inferida experimentalmente introduzindo- se sinais de entrada conhecidos e analisando o sinal de saída 21Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência � Quando a entrada é a função impulso, temos: � Y(s) = G(s).X(s) � X(s) = 1 ⇒ Y(s) = G(s) � cuja transformada inversa daria g(t) � Essa é a chamada resposta impulsional do sistema e também sua função de transferência � Portanto, é possível obter informação completa sobre as características de um sistema excitando-o com um impulso unitário e medindo a sua resposta � Na prática, seria um pulso de duração bastante curta 22Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência � Diagrama de blocos � Representação gráfica das funções desempenhadas por cada um dos componentes de um sistema e do fluxo de sinais entre eles � Todas as variáveis são ligadas umas às outras através de blocos funcionais � O bloco traz a representação matemática da operação aplicada sobre a entrada que leva à saída � A representação em diagramas de bloco de um sistema não é única 23Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência � Diagrama de blocos � Elementos: G(s)X+ -X(s) E(s) Y(s) Ponto de Soma Ponto de Ramificação Sistema de malha fechada 24Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência � Diagrama de blocos � Outros tipos: G(s)X+ -X(s) E(s) Y(s) H(s) B(s) Y(s) = E(s)G(s) = [X(s) – B(s)]G(s) = [X(s) – Y(s)H(s)]G(s) Y(s) + Y(s)H(s)G(s) = X(s)G(s) Y(s)/X(s) = G(s)/[1 + H(s)G(s)] (Função de Transferência do sistema) 25Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência � Diagrama de blocos � Outros tipos: G1(s)X+ -X(s) Y(s) H(s) G2(s)X+ + Perturbação D(s) B(s) Se D(s) = 0: Y(s)/X(s) = G1(s)G2(s)/[1 + G1(s)G2(s)H(s)] (Função de Transferência do sistema) 26Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência � Exemplo 1: Ache a função de transferência do sistema representado por: � dy(t)/dt +2y(t) = x(t) � Solução: Tomando a transf. de Laplace: � sY(s) + 2Y(s) = X(s) � (s + 2)Y(s) = X(s) � G(s) = Y(s)/X(s) = 1/(s + 2) 27Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência � Exemplo 2: Dada a função de transferência anterior, ache a resposta do sistema para um degrau unitário; considere nulas as condições iniciais: � x(t) = u(t) � G(s) = Y(s)/X(s) = 1/(s + 2) � X(t) = u(t) ⇒ X(s) = 1/s � Logo: Y(s) = G(s).X(s) � Y(s) = 1/[s.(s + 2)] � Y(s) = 0,5/s – 0,5/(s + 2) � Expansão em Frações Parciais � y(t) = 0,5 – 0,5e-2t 28Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.brFunção de Transferência � Exemplo 2 (cont.): � Solução total pelo MatLab 29Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência � Exercício 1: Ache a função de transferência da equação diferencial: � Solução: Tomando a transf. de Laplace: � Y(s)(s3 + 3s2 + 7s + 5) = X(s)(s2 + 4s + 3) � Logo: � G(s) = Y(s)/X(s) = (s2 + 4s + 3)/(s3 + 3s2 + 7s + 5) 30Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência � Exercício 2: Ache a equação diferencial correspondente à seguinte função de transferência: � G(s) = (2s + 1)/(s2 + 6s + 2) � Solução: � G(s) = Y(s)/X(s) = (2s + 1)/(s2 + 6s + 2) � Logo: � Y(s)(s2 + 6s + 2) = X(s)(2s + 1) � s2Y(s) + 6sY(s) + 2Y(s) = 2sX(s) + X(s) � ⇒ d2y/dt2 + 6dy/dt + 2y = 2dx/dt + x 31Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência � Exercício 3: Ache a resposta a uma rampa para um sistema cuja função de transferência é: � G(s) = s/[(s + 4)(s + 8)] � Solução: Logo: 32Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Modelagem matemática de circuitos elétricos � Resistores, capacitores e indutores � Componentes são combinados em circuitos e encontramos a função de transferência 33Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Rede RLC � Problema: Encontrar a função de transferência que relaciona a voltagem do capacitor (Vc(s)) com a voltagem de entrada (V(s)) 34Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Rede RLC � Somando as voltagens no laço e considerando nulas as condições iniciais, temos a seguinte equação diferencial para essa rede: Considerando: Temos: 35Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Rede RLC A voltagem de um capacitor é dada por: Temos assim: Ou seja: Calculando a Transformada de Laplace: 36Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Rede RLC Ou: 37Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Para simplificar, vamos considerar a transf. de Laplace das equações de voltagem da tabela anterior (assumindo nulas as condições iniciais): � Capacitor: � Resistor: � Indutor: � Definimos, assim, a seguinte função de transferência: Impedância 38Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Rede RLC: � Podemos entender Z(s) como a soma das impedâncias e V(s) como a soma das voltagens. Assim: � [Soma das Impedâncias].I(s) = [Soma das Voltagens] Circuito transformado 39Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Rede RLC: � Resolvendo o problema anterior usando impedâncias: � Temos: � Logo: � Como: � Assim: 40Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Rede RLC: � Ou: Como encontrado anteriormente.... 41Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Análise de Malha � Substitua elementos passivos por funções de impedância � Substitua fontes e variáveis de tempo por suas transf. de Laplace � Assuma uma corrente transformada e uma direção de corrente em cada malha � Aplique a lei de Kirchhoff para cada malha � Resolva as equações simultâneas para a saída � Forme a função de transferência 42Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Análise de Malha � Exemplo: Malha 1 Malha 2 G(s) = I2(s)/V(s) = ? 43Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Análise de Malha � Exemplo (cont.): Passo 1: Impedâncias Malha 1 Malha 2 Malha 1: Malha 2: 44Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Análise de Malha � Exemplo (cont.): Temos: � De (2): � Substituindo em (1): 45Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Análise de Malha � Exemplo (cont.): Ou: 46Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Análise de Malha � Exemplo (cont.): Observe que as equações paras as malhas 1 e 2 seguiram um mesmo padrão usado anteriormente. Ou seja: Malha 1: I1(s) - I2(s) = Soma das Impedâncias da Malha 1 Soma das Impedâncias comuns Soma das Voltagens da Malha 1 Malha 2: − I1(s) + I2(s) = Soma das Impedâncias comuns Soma das Impedâncias da Malha 2 Soma das Voltagens da Malha 2 47Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Análise de Nós: � Exemplo: Encontrar a função de transferência Vc(s)/V(s) para o circuito abaixo, usando análise de nós: � Nesse caso, usamos a soma das correntes nos nós ao invés da soma das voltagens nas malhas 48Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Análise de Nós: � Exemplo (cont.): Da figura anterior, as somas das correntes nos nós VL(s) e VC(s) são, respectivamente: � Expressando as resistências em termos de condutância � G1 = 1/R1 e G2 = 1/R2 49Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Análise de Nós: � Exemplo (cont.): Assim: 50Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Análise de Nós: � Substitua elementos passivos por funções de admitância � Y(s) = 1/Z(s) = I(s)/V(s) � Substitua fontes e variáveis de tempo por suas transf. de Laplace � Substitua as fontes de voltagem transformadas por fontes de corrente transformadas � Aplique a lei de Kirchhoff para cada nó � Resolva as equações simultâneas para a saída � Forme a função de transferência � Teorema de Norton � Uma fonte de tensão V(s) em série com uma impedância ZS(s) pode ser substituída por uma fonte de corrente I(s) = V(s)/ZS(s), em paralelo com YS(s) 51Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Análise de Nós: Exemplo: � Ache a função de transferência VC(s)/V(s) usando análise de nós e circuito transformado com fontes de corrente Circuito Original: Circuito Transformado: 52Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Análise de Nós: Exemplo (cont.): � Todas as impedâncias são convertidas para admitâncias � Todas as fontes de tensão são convertidas para fontes de corrente colocadas em paralelo com admitância de acordo com o teorema de Norton 53Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Análise de Nós: Exemplo (cont.): � Como Y(s) = I(s)/V(s) ⇒ I(s) = Y(s)V(s) � Somando as correntes no nó VL(s) temos: � Somando as correntes no nó VC(s) temos: � Combinando essas equações, encontramos, como antes: 54Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Análise de Nós: Exemplo (cont.): � Como antes, também temos um padrão: Nó 1: VL(s) - VC(s) = Soma das Admitâncias conectadas no Nó 1 Soma das Admitâncias comuns aos Nós Soma das Correntes aplicadas no Nó 1 Nó 2: − VL(s) + VC(s) = Soma das Admitâncias comuns aos Nós Soma das Admitâncias conectadas ao Nó 2 Soma das Correntes aplicadasno Nó 2 55Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Exemplo: Malha 1 Malha 2 Malha 3 56Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Exemplo (cont.): Malha 1: Malha 2: Malha 3: Soma das Impedâncias na Malha 1 I1(s) - I2(s) - I3(s) = Soma das Impedâncias comuns às Malhas 1 e 2 Soma das Impedâncias comuns às Malhas 1 e 3 Soma das voltagens aplicadas à Malha 1 Soma das Impedâncias comuns às Malhas 1 e 2 - I1(s) + I2(s) - I3(s) = Soma das Impedâncias na Malha 2 Soma das Impedâncias comuns às Malhas 2 e 3 Soma das voltagens aplicadas à Malha 2 Soma das Impedâncias comuns às Malhas 1 e 3 - I1(s) - I2(s) + I3(s) = Soma das Impedâncias comuns às Malhas 2 e 3 Soma das Impedâncias na Malha 3 Soma das voltagens aplicadas à Malha 3 57Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Exemplo (cont.): � Malha 1: (2s + 2)I1(s) – (2s + 1)I2(s) – I3(s) = V(s) � Malha 2: -(2s + 1)I1(s) + (9s + 1)I2(s) – 4sI3(s) = 0 � Malha 3: -I1(s) – 4sI2(s) + (4s + 1 + 1/s)I3(s) = 0 � As 3 equações devem ser resolvidas simultaneamente para encontrarmos as funções de transferência desejadas (como I3(s)/V(s), por exemplo) 58Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Exemplo (cont.): (2s + 2)I1 – (2s + 1)I2 – I3 = V (1) -(2s + 1)I1 + (9s + 1)I2 – 4sI3 = 0 (2) -I1 – 4sI2 + (4s + 1 + 1/s)I3 = 0 (3) De (3): I1 = -4sI2 + (4s + 1 + 1/s)I3 (4) Substituindo (4) em (2): (2s + 1)[4sI2 - (4s + 1 + 1/s)I3] + (9s + 1)I2 – 4sI3 = 0 I2 = -I3(8s2 + 10s + 3 + 1/s)/(8s2 + 13s + 1) (5) Substituindo (5) em (4), achamos I1 em função apenas de I3. Assim, temos em (1), I1 e I2 em função de I3 e podemos isolar I3 e calcular a função de transferência I3/V. 59Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Função de Transferência de Circuitos Elétricos � Exemplo (cont.): No MatLab (2s + 2)I1 – (2s + 1)I2 – I3 = V -(2s + 1)I1 + (9s + 1)I2 – 4sI3 = 0 -I1 – 4sI2 + (4s + 1 + 1/s)I3 = 0 MatLab Symbolic Toolbox 60Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br � Amplificador Operacional � Os amplificadores operacionais são amplificadores de acoplamento direto, de alto ganho, que usam realimentação para controle de suas características Função de Transferência de Circuitos Elétricos 61Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br � Amplificador Operacional Amplificador operacional Amplificador operacional inversor Amplificador operacional como função de transferência Função de Transferência de Circuitos Elétricos 62Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br � Amplificador Operacional � Características: � Entrada diferencial: v2(t) – v1(t) � Alta impedância de entrada: Zi→ ∞ (ideal) � Baixa impedância de saída: Zo→ 0 (ideal) � Alta constante de ganho de amplificação: A→ ∞ (ideal) � A saída é dada por: vo(t) = A(v2(t) – v1(t)) Função de Transferência de Circuitos Elétricos 63Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br � Amplificador Operacional Inversor � Se v2(t) está aterrado, o amplificador é chamado de inversor porque passamos a ter: vo(t) = -Av1(t) � Na configuração da figura c anterior, a função de transferência do amplificador operacional inversor é: Função de Transferência de Circuitos Elétricos 64Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br � Exemplo: Ache a função de transferência Vo(s)/Vi(s) para o circuito abaixo: Função de Transferência de Circuitos Elétricos 65Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br � Exemplo (cont.): � Como a admitância de componentes paralelos se somam, Z1(s) é o inverso da soma das admitâncias ou: � Para Z2(s) as impedâncias se somam: � Assim: Compensador PID Função de Transferência de Circuitos Elétricos 66Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br � Amplificador Operacional Não Inversor Função de Transferência de Circuitos Elétricos 67Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br � Amplificador Operacional Não Inversor: Exemplo: � Ache Vo(s)/Vi(s) Função de Transferência de Circuitos Elétricos 68Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br � Amplificador Operacional Função de Transferência de Circuitos Elétricos 69Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br � Amplificador Operacional Função de Transferência de Circuitos Elétricos 70Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br Exercícios Sugeridos (Nise) � Cap. 2, Problemas: � 1, 2, 7, 8, 9, 10, 16, 17, 18, 20a � No MatLab: � 5, 6, 14, 20b 71Carlos Alexandre Mello – cabm@cin.ufpe.br A Seguir.... � Modelagem no Domínio do Tempo
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